tapis daya aktif shunt - core.ac.uk · c. suatu alternatif reduksi harmonisa. tapis daya aktif....
TRANSCRIPT
Tapis Daya Aktif
Shunt Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa
Slamet Riyadi
sumber
beban tak liniertiga fasa
empat kawat
tapis daya aktifshunt
tiga fasa empat kawat
_ _
0p p
_ _
0p p
~ ~
L L0p p
~ ~
C C0p p
Cq
Lq
ii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
iii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
____________________________________________
TAPIS DAYA AKTIF SHUNT Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa
____________________________________________
ISBN : 978 979 1268 882
Slamet Riyadi
Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata
Semarang
UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG
iv
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
© Universitas Katolik Soegijapranata 2011
Penerbit :
Universitas Katolik Soegijapranata
Jl. Pawiyatan Luhur IV/1 Bendan Duwur,
Semarang 50234
Telp. (024)8316142, 8441555
Fax. (024)8415429, 8442265
e-mail : [email protected]
ISBN : 978 979 1268 882
v
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Didedikasikan kepada mereka yang sangat berperan
dan berarti dalam hidupku
vi
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
vii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
PRAKATA
Puji syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena Buku dengan judul
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa telah dapat
diselesaikan. Buku ini disusun berdasarkan pemikiran Penulis yang telah lama dikaji
dan diteliti. Tujuan dipublikasikan buku ini agar masyarakat khususnya para
mahasiswa dan peneliti lokal dapat mengenal teknologi ini.
Kegiatan belajar mengajar di bidang Teknik Elektro menuntut peran aktif para dosen
dalam mengembangkan wawasan keilmuannya mengingat perkembangan disiplin
teknik elektro yang begitu pesat. Pada rumpun Aplikasi Industri, keterkaitan ilmu yang
dipelajari dengan implementasi di lapangan sangat erat sekali. Dengan dilandasi oleh
hasil kajian literatur dan hasil penelitian maka diharapkan para dosen mampu
menuangkan hasil karyanya menjadi buku atau diktat yang dapat dipergunakan untuk
meningkatkan kualitas materi pengajarannya.
Kami sadar bahwa buku ini masih jauh dari sempurna, untuk itu kami menantikan
sumbangan para pembaca dalam bentuk kritik dan saran.
Hormat kami,
Penulis
viii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
PETUNJUK PENGGUNAAN BUKU
Buku ini dapat digunakan oleh mahasiswa yang ingin mendalami tentang konsep
penapisan aktif secara paralel, selain itu juga dapat digunakan sebagai pendukung
penelitian bagi para peneliti dengan topik terkait. Pustaka yang dirujuk dalam
penyusunan buku ini didominasi oleh jurnal-jurnal ilmiah dikarenakan penelitian-
penelitian yang telah dilakukan Penulis merupakan topik yang sedang dibutuhkan dan
banyak dikembangkan Peneliti luar.
Dalam menggunakan buku ini maka disarankan untuk memahami dasar-dasar teori
terlebih dahulu baik dari buku referensi maupun jurnal ilmiah. Untuk memudahkan
pemahaman maka isi pada buku ini disusun secara sistematis. Untuk pemahaman
lebih lanjut maka Pembaca dapat menggunakan perangkat lunak sebagai dasar
simulasi (disarankan PSIM). Simulasi dapat dilakukan untuk melakukan verifikasi dan
melakukan perancangan sederhana.
Pada bab-bab akhir, disajikan hasil simulasi dan pengujian laboratorium sebagai bukti
bahwa apa yang telah disajikan pada buku ini merupakan materi yang sudah dikaji
secara mendalam dan dibuktikan melalui pembuatan prototip skala laboratorium.
ix
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
DAFTAR ISI
PRAKATA vii
PETUNJUK PENGGUNAAN BUKU viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR TABEL xxv
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 ELEKTRONIKA DAYA
1
1.1.1 Konverter
2
1.1.2 Implementasi Konverter
6
1.2 KUALITAS DAYA
12
1.2.1 Voltage Sags (Dips)
12
1.2.2 Voltage Swells
13
1.2.3 Tegangan Lebih Peralihan
14
1.2.4 Harmonisa
14
1.2.5 Regulasi Tegangan
15
1.2.6 Flicker (Voltage Fluctuations)
16
1.2.7 Gangguan Lain
17
1.3 KESIMPULAN
17
1.4 DAFTAR PUSTAKA
17
BAB 2 BEBAN TAK LINIER
2.1 KETIDAKLINIERAN ANTARA TEGANGAN DAN ARUS
19
2.2 JENIS BEBAN TAK LINIER
21
2.3 HARMONISA
25
2.4 KESIMPULAN
29
2.5 DAFTAR PUSTAKA
29
BAB 3 DEKOMPOSISI ARUS
3.1 TEORI DAYA KONVENSIONAL
31
3.2 TEORI DAYA SESAAT
34
3.3 KAJIAN KASUISTIK
35
3.3.1 Sistem Tiga Fasa dengan Beban Linier (beban resistif)
36
x
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
3.3.2 Sistem Tiga Fasa dengan Beban Linier (beban induktif)
38
3.3.3
Sistem Tiga Fasa dengan Beban Tak Linier tanpa
Daya Reaktif
41
3.3.4
Sistem Tiga Fasa dengan Beban Tak Linier yang
Mengandung Daya Reaktif
45
3.4 PROSES DEKOMPOSISI
50
3.4.1 Dekomposisi pada Sistem Tiga Fasa Tiga Kawat
50
3.4.2 Dekomposisi pada Sistem Tiga Fasa Empat Kawat
57
3.5 KESIMPULAN
63
3.6 DAFTAR PUSTAKA
63
BAB 4 KONVERTER TIGA FASA
4.1 KONVERTER MLP TIGA FASA TIGA LENGAN
65
4.2
KONVERTER MLP TIGA FASA DENGAN TITIK TENGAH
KAPASITOR
69
4.3 KONVERTER MLP TIGA FASA EMPAT LENGAN
72
4.4 KONVERTER MLP SEBAGAI SUMBER ARUS TERKENDALI
76
4.5 SIMULASI
78
4.6
PERANCANGAN PROTOTIP DAN PENGUJIAN
LABORATORIUM
85
4.7 KESIMPULAN
92
4.8 DAFTAR PUSTAKA
92
BAB 5 TAPIS DAYA AKTIF SHUNT
5.1
KOMPENSASI BEBAN TAK LINIER PADA SISTEM TIGA
FASA TIGA KAWAT
95
5.1.1 Kompensasi Daya Reaktif Fundamental
97
5.1.2 Kompensasi Daya Reaktif
100
5.1.3 Kompensasi Daya Harmonisa
102
5.1.4 Kompensasi Daya Reaktif dan Harmonisa
104
5.2
KOMPENSASI BEBAN TAK LINIER PADA SISTEM TIGA
FASA EMPAT KAWAT
106
5.2.1 Kompensasi Daya Reaktif Fundamental
112
5.2.2 Kompensasi Daya Reaktif
114
5.2.3 Kompensasi Daya Harmonisa
116
5.2.4 Kompensasi Daya Reaktif dan Harmonisa
119
5.2.5 Kompensasi Arus Urutan Nol
122
5.2.6
Kompensasi Daya Reaktif, Harmonisa dan Arus Urutan
Nol
124
5.3 KESIMPULAN
127
5.4 DAFTAR PUSTAKA
127
xi
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
BAB 6 DESAIN DAN PENGUJIAN
6.1 KOMPENSASI DAYA URUTAN NOL DAN RUGI-RUGI DAYA
130
6.2 PENGARUH KONDISI TEGANGAN SUMBER
133
6.3 HASIL SIMULASI
138
6.3.1
Simulasi dengan Menggunakan Deteksi Fasa Sumber
pada Tegangan Sumber Ideal
140
6.3.2
Simulasi dengan Menggunakan Deteksi Fasa Sumber
pada Tegangan Sumber Tak Ideal
142
6.3.3
Simulasi dengan Menggunakan Deteksi Fasa Sumber
pada Nilai Tegangan dc-link Berbeda
144
6.4 HASIL PERCOBAAN
145
6.4.1
Pengujian pada Kondisi Tegangan Sumber Mendekati
Ideal
146
6.4.2 Pengujian pada Kondisi Tegangan Sumber Tak Ideal
150
6.4.3 Pengujian dengan Tegangan dc-link berbeda
154
6.5 PEMBAHASAN
155
6.6 KESIMPULAN
163
6.7 DAFTAR PUSTAKA
163
xii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
xiii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
DAFTAR GAMBAR
Gambar-1.1. Prinsip dan fokus elektronika daya 2
Gambar-1.2 Konverter dasar dalam disiplin elektronika daya 3 Gambar-1.3.
Penyearah dioda (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan (c) tegangan keluaran 3
Gambar-1.4.
Penyearah terkendali sudut fasa (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan (c) tegangan keluaran 3
Gambar-1.5.
Chopper jenis step-down (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan dan tegangan keluaran (c) kendali untuk saklar 4
Gambar-1.6.
Chopper jenis step-up (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan dan tegangan keluaran (c) kendali untuk saklar 4
Gambar-1.7.
Chopper jenis step-up/down (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan dan tegangan keluaran saat menurunkan tegangan (c) tegangan masukan dan tegangan keluaran saat menaikkan tegangan 4
Gambar-1.8. Inverter (a) topologi standar (b) topologi multilevel 5
Gambar-1.9. Tegangan keluaran inverter gelombang persegi 5 Gambar-1.10.
Tegangan keluaran inverter sinusoidal (a) setelah ditapis (b) sebelum ditapis 5
Gambar-1.11. Tegangan keluaran inverter jenis multilevel 5
Gambar-1.12. Skema linear DC power supply 6
Gambar-1.13. Skema switch-mode DC power supply 7
Gambar-1.14. Skema AC controller 7 Gambar-1.15.
Diagram blok Uninterruptible Power Supply tipe OFF- LINE 8
Gambar-1.16.
Diagram blok Uninterruptible Power Supply tipe OFF-LINE INTERACTIVE 8
Gambar-1.17.
Diagram blok Uninterruptible Power Supply tipe ON- LINE 9
Gambar-1.18. Sistem penggerak untuk motor listrik 9
Gambar-1.19. Tapis daya aktif jenis shunt 10
Gambar-1.20. Tapis daya aktif jenis seri 10
Gambar-1.21. Dynamic Voltage Restorer (DVR) 11 Gambar-1.22.
Dynamic Voltage Restorer (DVR) dengan energi DC-Link dari sisi sumber 11
Gambar-1.23.
Dynamic Voltage Restorer (DVR) dengan energi DC-Link dari sisi beban 11
Gambar-1.24.
Dynamic Voltage Restorer (DVR) dengan energi DC-Link dari penyimpan energi 11
Gambar-1.25. Gangguan tegangan berupa voltage sags 12
Gambar-1.26. Kurva CBEMA (Computer and Business Equipment Manufactures Association)
13
Gambar-1.27. Kurva ITIC (Information Technology Industry Council) 13
xiv
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-1.28. Gangguan tegangan berupa voltage swell 14 Gambar-1.29.
Gangguan tegangan berupa osilasi akibat koneksi capacitor bank 14
Gambar-1.30.
Beban penyearah dioda (a) rangkaian (b) gelombang tegangan dan arus 15
Gambar-1.31. Regulasi Tegangan yang disyaratkan oleh ANSI C84.1 15 Gambar-1.32.
Fluktuasi tegangan yang menyebabkan terjadinya flicker 16
Gambar-1.33. Klasifikasi variasi tegangan 16 Gambar-2.1
Pemasangan beban linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal 20
Gambar-2.2.
Gelombang tegangan dan arus dengan pembebanan linier (a) tegangan sumber (b) arus resistif (c) arus resistif-induktif (d) arus resistif-kapasitif 20
Gambar-2.3.
Hubungan tegangan dan arus pada pemasangan beban linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal 20
Gambar-2.4.
Pemasangan beban tak linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal 21
Gambar-2.5.
Hubungan tegangan dan arus pada pemasangan beban tak linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal 21
Gambar-2.6.
Penyearah dioda berbeban kapasitif sebagai sumber harmonisa jenis sumber tegangan 22
Gambar-2.7.
Pengaruh impedansi sumber terhadap arus beban tak linier jenis sumber tegangan (a) Z = 0,2 Ohm + j0,01 H (b) Z = 0,4 Ohm + j0,04 H 22
Gambar-2.8.
Pengaruh impedansi sumber terhadap tegangan sumber pada pembebanan tak linier jenis sumber tegangan (a) Z = 0,2 Ohm + j0,01 H (b) Z = 0,4 Ohm + j0,04 H 23
Gambar-2.9.
Rangkaian ekuivalen dari pembebanan yang mengakibatkan terjadinya harmonisa jenis tegangan 23
Gambar-2.10.
Penyearah thyristor berbeban induktif sebagai sumber harmonisa jenis sumber arus 23
Gambar-2.11.
Pengaruh impedansi sumber terhadap arus beban tak linier jenis sumber arus (a) Z = 0,2 Ohm + j0,01 H (b) Z = 0,4 Ohm + j0,04 H 24
Gambar-2.12.
Pengaruh impedansi sumber terhadap tegangan sumber pada pembebanan tak linier jenis sumber arus (a) Z = 0,2 Ohm + j0,01 H (b) Z = 0,4 Ohm + j0,04 H 24
Gambar-2.13.
Rangkaian ekuivalen dari pembebanan yang mengakibatkan terjadinya harmonisa jenis arus 24
Gambar-2.14. Gelombang persegi dan spektrumnya 26 Gambar-2.15.
Sintesis empat harmonisa pertama untuk membentuk gelombang persegi 26
Gambar-2.16. Komponen urutan positif, negatif dan nol 26 Gambar-3.1
Gelombang tegangan, arus dan daya sesaat untuk sistem satu fasa yang mencatu beban linier 32
Gambar-3.2.
Gelombang tegangan, arus dan daya sesaat untuk sistem satu fasa yang mencatu beban tak linier 33
xv
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.3. Tetrahedron daya 34
Gambar-3.4. Proyeksi koordinat-abc pada koordinat- 34 Gambar-3.5.
Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban linier resistif 36
Gambar-3.6.
Tegangan sumber dan arus yang mengalir pada pembebanan resistif 37
Gambar-3.7.
Daya sesaat dan daya nyata pada pembebanan resistif 38
Gambar-3.8. Vektor tegangan dan arus pada pembebanan resistif 38 Gambar-3.9.
Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban linier induktif 39
Gambar-3.10.
Tegangan sumber dan arus yang mengalir pada pembebanan induktif 39
Gambar-3.11.
Daya sesaat, daya nyata dan daya reaktif pada pembebanan resistif 40
Gambar-3.12.
Arus aktif dan reaktif yang mengalir pada pembebanan induktif 40
Gambar-3.13.
Representasi vektor dari arus aktif dan reaktif yang mengalir pada pembebanan induktif 40
Gambar-3.14.
Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban tak linier jenis dioda 41
Gambar-3.15. Tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif 42 Gambar-3.16.
Daya sesaat tiap fasa dan daya nyata sesaat tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif 43
Gambar-3.17.
Daya sesaat tiap fasa dan daya reaktif total tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif 44
Gambar-3.18.
Vektor tegangan dan arus pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif 44
Gambar-3.19.
Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban tak linier jenis penyearah terkendali 45
Gambar-3.20.
Tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif 46
Gambar-3.21 .
Daya sesaat tiap fasa dan daya nyata sesaat tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif 47
Gambar-3.22.
Daya sesaat tiap fasa dan daya reaktif total tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif 48
Gambar-3.23.
Vektor tegangan dan arus pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif 48
Gambar-3.24. Perbandingan daya dari beberapa kasus yang dikaji 49 Gambar-3.25.
Perbandingan arus dari beberapa kasus yang dikaji untuk menghasilkan daya nyata 6600 W 49
Gambar-3.26.
Perbandingan faktor daya dari beberapa kasus yang dikaji untuk menghasilkan daya nyata 6600 W 49
Gambar-3.27. Sistem tiga fasa tiga kawat dengan beban tak linier 50 Gambar-3.28.
Gelombang tegangan dan arus untuk sistem tiga fasa tiga kawat dengan beban tak linier 51
Gambar-3.29. Komponen rata-rata dari daya nyata sesaat 54
xvi
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.30. Komponen rata-rata dari daya reaktif sesaat 54 Gambar-3.31.
Gelombang tegangan dan arus fasa dari beban tak linier tiga fasa tiga kawat 56
Gambar-3.32.
Gelombang tegangan dan komponen fundamental arus fasa dari beban tak linier tiga fasa tiga kawat 56
Gambar-3.33.
Gelombang tegangan dan komponen harmonisa arus fasa dari beban tak linier tiga fasa tiga kawat 57
Gambar-3.34. Sistem tiga fasa empat kawat dengan beban tak linier 58 Gambar-3.35.
Gelombang tegangan dan arus untuk sistem tiga fasa empat kawat dengan beban tak linier 59
Gambar-3.36.
Gelombang tegangan dan komponen fundamental arus fasa dari beban tak linier tiga fasa empat kawat 62
Gambar-3.37.
Komponen arus harmonisa dan urutan nol dari beban tak linier tiga fasa empat kawat 62
Gambar-3.38.
Gelombang tegangan, arus aktif dan komponen tak diinginkan dari beban tak linier tiga fasa empat kawat 62
Gambar-4.1 Konverter MLP tiga fasa tiga lengan 65 Gambar-4.2.
Konverter MLP tiga fasa tiga lengan sebagai sumber arus terkendali pada tapis daya aktif shunt 68
Gambar-4.3.
Rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa tiga lengan sebagai sumber arus terkendali 68
Gambar-4.4.
Konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik tengah kapasitor 69
Gambar-4.5.
Perlakuan sepasang lengan sebagai konverter setengah jembatan 70
Gambar-4.6.
Konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik tengah sebagai sumber arus terkendali pada tapis daya aktif shunt 71
Gambar-4.7.
Rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik tengah sebagai sumber arus terkendali 71
Gambar-4.8. Konverter MLP tiga fasa empat lengan 72 Gambar-4.9.
Konfigurasi saklar pada konverter MLP tiga fasa empat lengan 73
Gambar-4.10.
Konverter MLP tiga fasa empat lengan sebagai sumber arus terkendali 74
Gambar-4.11.
Rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa empat lengan sebagai sumber arus terkendali 75
Gambar-4.12.
Penyederhanaan rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa empat lengan sebagai sumber arus terkendali 75
Gambar-4.13. Kontroler untuk memperkecil nilai error 76
Gambar-4.14. Kontroler hysteresis dengan pembatas frekuensi 77
Gambar-4.15. Terminal G-S pada saklar-saklar dalam satu lengan 77
Gambar-4.16. Skema rangkaian driver 77
Gambar-4.17. Konverter MLP tiga fasa tiga kawat untuk simulasi 79 Gambar-4.18.
Hasil simulasi referensi gelombang sinusoidal untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 79
Gambar-4.19.
Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang sinusoidal 80
xvii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
(a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.20.
Hasil simulasi proses tracking arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat pada referensi gelombang sinusoidal 80
Gambar-4.21.
Hasil simulasi referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 80
Gambar-4.22.
Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 81
Gambar-4.23.
Hasil simulasi proses tracking arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat pada referensi gelombang persegi 81
Gambar-4.24.
Hasil simulasi referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 81
Gambar-4.25.
Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 82
Gambar-4.26.
Hasil simulasi proses tracking arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat pada referensi gelombang harmonisa 82
Gambar-4.27. Konverter MLP tiga fasa empat kawat untuk simulasi 83 Gambar-4.28.
Hasil simulasi referensi gelombang sinusoidal untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 83
Gambar-4.29.
Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a dan netral (b) fasa b (c) fasa c 84
Gambar-4.30.
Hasil simulasi referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 84
Gambar-4.31.
Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a dan netral (b) fasa b (c) fasa c (d) netral 84
Gambar-4.32.
Hasil simulasi referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c 85
Gambar-4.33.
Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa-a dan netral (b) fasa b (c) fasa c (d) netral 85
Gambar-4.34. Rangkaian driver untuk MOSFET IRFP 460 86 Gambar-4.35.
Implementasi rangkaian kontroler hysteresis beserta pembatas frekuensi 86
Gambar-4.36. Rangkaian pendeteksi arus keluaran konverter MLP 86
Gambar-4.37. Foto rangkaian driver dan catu daya driver 87 Gambar-4.38.
Foto rangkaian daya konverter MLP dan beban resistor induktor (induktif) 87
Gambar-4.39. Foto kontroler hysteresis dan pembatas frekuensi 87 Gambar-4.40.
Foto osciloscope untuk pengamatan gelombang sesaat 88
xviii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.41. Foto aktivitas pengujian prototipe di laboratorium 88 Gambar-4.42.
Hasil pengujian referensi gelombang sinusoidal untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 88
Gambar-4.43.
Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 89
Gambar-4.44.
Hasil pengujian referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 89
Gambar-4.45.
Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 89
Gambar-4.46.
Hasil pengujian referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 90
Gambar-4.47.
Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 90
Gambar-4.48.
Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c (d) netral [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 90
Gambar-4.49.
Hasil pengujian referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 91
Gambar-4.50.
Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c (d) netral [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 91
Gambar-4.51.
Hasil pengujian referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 91
Gambar-4.52.
Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c (d) netral [skala: 5 A/div – 5 ms/div] 92
Gambar-5.1
Kompensasi arus tak linier pada sistem tiga fasa tiga kawat 96
Gambar-5.2.
Distorsi yang ditimbulkan beban tak linier (penyearah thyristor berbeban induktif) (a) tegangan fasa dan arus fasa (b) spektrum arus fasa 96
Gambar-5.3.
Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya reaktif fundamental untuk sistem tiga fasa tiga kawat 99
Gambar-5.4.
Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif fundamental untuk sistem tiga fasa tiga kawat 99
Gambar-5.5.
Trayektori arus pada kompensasi daya reaktif fundamental untuk sistem tiga fasa tiga kawat 99
xix
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.6.
Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya reaktif untuk sistem tiga fasa tiga kawat 101
Gambar-5.7.
Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif untuk sistem tiga fasa tiga kawat 101
Gambar-5.8.
Trayektori arus pada kompensasi daya reaktif untuk sistem tiga fasa tiga kawat 101
Gambar-5.9.
Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat 103
Gambar-5.10.
Spektrum arus pada kompensasi daya harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat 103
Gambar-5.11.
Trayektori arus pada kompensasi daya harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat 103
Gambar-5.12.
Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat 105
Gambar-5.13.
Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat 105
Gambar-5.14.
Trayektori arus arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat 106
Gambar-5.15.
Diagram aliran daya penapisan aktif pada sistem tiga fasa tiga kawat 106
Gambar-5.16.
Konverter MLP dioperasikan sebagai sumber arus terkendali untuk menginjeksikan arus kompensasi pada sistem tiga fasa empat kawat 109
Gambar-5.17.
Arus fasa penyearah thyristor satu fasa (beban induktif) dan spektrumnya 109
Gambar-5.18.
Arus netral tiga buah penyearah thyristor satu fasa (beban induktif) dan spektrumnya 110
Gambar-5.19.
Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya reaktif fundamental 113
Gambar-5.20.
Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif fundamental 113
Gambar-5.21.
Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif fundamental 113
Gambar-5.22. Trayektori pada kompensasi daya reaktif fundamental 114 Gambar-5.23.
Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya reaktif 115
Gambar-5.24.
Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif 116
Gambar-5.25. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif 116
Gambar-5.26. Trayektori pada kompensasi daya reaktif 116 Gambar-5.27.
Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya harmonisa 117
Gambar-5.28.
Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya harmonisa 118
Gambar-5.29. Spektrum arus pada kompensasi daya harmonisa 118
Gambar-5.30. Trayektori pada kompensasi daya harmonisa 119 Gambar-5.31.
Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa 120
Gambar-5.32.
Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa 121
Gambar-5.33.
Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa 121
xx
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.34.
Trayektori pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa 121
Gambar-5.35.
Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi arus urutan nol 123
Gambar-5.36.
Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi arus urutan nol 123
Gambar-5.37. Spektrum arus pada kompensasi arus urutan nol 123
Gambar-5.38. Trayektori pada kompensasi arus urutan nol 124 Gambar-5.39.
Arus beban dan arus kompensasi pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol 125
Gambar-5.40.
Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol 126
Gambar-5.41.
Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol 126
Gambar-5.42.
Trayektori pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol 126
Gambar-5.43.
Diagram aliran daya pada sistem tiga fasa empat kawat dengan beban tak linier 127
Gambar-6.1
Diagram alir prinsip dasar metoda pengendalian berbasis daya sesaat sumber 129
Gambar-6.2.
Konverter tiga fasa empat lengan dikendalikan dengan modulasi lebar pulsa berbasis pembawa sebagai tapis daya aktif shunt 130
Gambar-6.3.
Kontroler arus berbasis PI untuk menghasilkan sinyal MLP bagi tapis daya aktif shunt 130
Gambar-6.4. Loop peregulasi tegangan dc-link 131 Gambar-6.5.
Skema pengendalian tapis daya aktif berbasis daya sesaat sumber 132
Gambar-6.6.
Pengaruh tegangan sumber ideal terhadap proses penapisan pada sistem tiga fasa empat kawat 134
Gambar-6.7.
Pengaruh tegangan sumber tak seimbang terhadap proses penapisan pada sistem tiga fasa empat kawat 134
Gambar-6.8.
Pengaruh tegangan sumber terdistorsi terhadap proses penapisan pada sistem tiga fasa empat kawat 135
Gambar-6.9.
Deteksi tegangan sumber melalui sensor tegangan & tapis 135
Gambar.6.10.
Pembentukan besaran tegangan melalui PLL dan look-up table bagi mikrokontroler 136
Gambar-6.11. Skema PLL (Phase Locked Loop ) 136
Gambar-6.12. (a) tegangan trafo & ZCD (b) tegangan PLL & rV 136 Gambar-6.13.
Skema pengendalian tapis daya aktif shunt tiga fasa empat kawat berbasis daya sesaat sumber dengan menggunakan tegangan representatif 137
Gambar-6.14.
Skema rangkaian yang digunakan untuk melakukan simulasi dan pengujian laboratorium 139
Gambar-6.15 .
Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber 141
xxi
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.16.
Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (deteksi fasa sumber) 141
Gambar-6.17.
Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber 142
Gambar-6.18.
Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (deteksi fasa sumber) 142
Gambar-6.19.
Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (a) tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber 143
Gambar-6.20.
Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (deteksi fasa sumber) 143
Gambar-6.21.
Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (a) tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber 144
Gambar-6.22.
Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (deteksi fasa sumber) 144
Gambar-6.23.
Hasil simulasi untuk arus beban dan arus sumber dengan menggunakan tegangan dc-link sebesar (a) 70 Volt (b) 95 Volt (c) 120 Volt 145
Gambar-6.24.
Spektrum arus sumber dari hasil simulasi dengan tegangan dc-link berbeda 145
Gambar-6.25.
Hasil pengukuran tegangan sumber yang mendekati ideal (skala: 25V/div-5ms/div) 147
Gambar-6.26.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 147
Gambar-6.27.
Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang 148
Gambar-6.28.
Hasil pengukuran arus beban, arus kompensasi dan komponen arus sumber tak diinginkan pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 10A/div-10ms/div) 148
Gambar-6.29.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 148
xxii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.30.
Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang 149
Gambar-6.31.
Hasil pengukuran arus sumber, arus beban (skala: 10A/div-10ms/div) dan tegangan representatif (skala: 5V/div-10ms/div) pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang 149
Gambar-6.32.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 149
Gambar-6.33.
Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang 150
Gambar-6.34.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 150
Gambar-6.35.
Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang 150
Gambar-6.36.
Hasil pengukuran tegangan sumber yang tidak ideal (skala: 25V/div-5ms/div) 151
Gambar-6.37.
Spektrum tegangan sumber tak ideal yang digunakan untuk percobaan laboratorium 151
Gambar-6.38.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 151
Gambar-6.39.
Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang 152
Gambar-6.40.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div- 10ms/div) 152
Gambar-6.41.
Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang 152
Gambar-6.42.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 153
Gambar-6.43.
Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang 153
Gambar-6.44.
Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div) 153
Gambar-6.45.
Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang 154
xxiii
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.46.
Hasil pengujian pengaruh tegangan dc-link konverter MLP terhadap arus sumber (a) arus beban (b) arus sumber saat tegangan dc-link = 60V (c) arus sumber saat tegangan dc-link = 75V (d) arus sumber saat tegangan dc-link = 90V 154
Gambar-6.47.
Spektrum arus beban yang digunakan untuk pengujian dengan tegangan dc-link berbeda (THD = 19,80%) 154
Gambar-6.48.
Spektrum arus sumber saat penapisan menggunakan tegangan dc-link sebesar (a) 60V dengan THD = 22,19% (b) 75V dengan THD = 12,52% (c) 90V dengan THD = 2,21% 155
Gambar-6.49.
Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil simulasi dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang 158
Gambar-6.50.
Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil simulasi dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang 159
Gambar-6.51.
Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil percobaan dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang 162
Gambar-6.52.
Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil percobaan dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang 162
xxiv
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
xxv
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
DAFTAR TABEL
Tabel-2.1 Urutan pada harmonisa untuk sistem seimbang 27
Tabel-2.2 IEEE Std 519-1992 Current Distortion Limits 28
Tabel-2.3 IEEE Std 519-1992 Voltage Distortion Limits 28
Tabel-3.1 Perbandingan parameter pada kajian kasuistik 50
Tabel-4.1 Tegangan keluaran pada konverter MLP tiga lengan 67 Tabel-4.2
Tegangan keluaran konverter MLP tiga lengan dengan titik tengah kapasitor 70
Tabel-4.3 Tegangan pada konverter MLP empat lengan 74
Tabel-4.4 Parameter rangkaian untuk simulasi 78
Tabel-6.1 Parameter rangkaian untuk simulasi 138 Tabel-6.2
Komponen tegangan tak seimbang-terdistorsi yang digunakan untuk simulasi 140
Tabel-6.3 Parameter rangkaian untuk percobaan 146 Tabel-6.4
Komponen tegangan tak ideal yang digunakan untuk percobaan 146
Tabel-6.5
Total Harmonic Distortion (%) dari arus beban dan arus sumber untuk kondisi tegangan sumber berbeda dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi) 156
Tabel-6.6
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi) 156
Tabel-6.7
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi) 157
Tabel-6.8
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi) 157
Tabel-6.9
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi) 158
Tabel-6.10
Total Harmonic Distortion (%) dari arus beban dan arus sumber untuk kondisi tegangan sumber berbeda dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan) 159
Tabel-6.11
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan) 160
Tabel-6.12
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak 160
xxvi
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan)
Tabel-6.13
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan) 161
Tabel-6,14
Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan) 161
1
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
PENDAHULUAN
BAB 1
Perkembangan teknologi elektronika daya menyebabkan banyak peralatan berbasis
teknologi tersebut digunakan dalam aplikasi industri, perkantoran dan rumah tangga.
Implementasinya meliputi penggerak motor listrik putaran berubah, tanur busur listrik,
pengisi batere, UPS, lampu-lampu fluorescent jenis SL, perangkat audio-video,
komputer, peralatan telekomunikasi dan lain-lain. Beban-beban tersebut dicatu
sumber tegangan bolak-balik yang disearahkan oleh penyearah jenis dioda atau
thyristor yang dilengkapi tapis induktor dan/atau kapasitor pada sisi keluarannya.
Adanya tapis pada penyearah ini menyebabkan arus di sisi sumber mengandung
komponen harmonisa orde rendah yang cukup signifikan sehingga arus sumber akan
mengalami distorsi begitu juga dengan tegangan sumber. Bahkan untuk penyearah
thyristor dapat menyebabkan faktor daya sistem menurun. Beban seperti ini
dinamakan beban tak linier. Selain itu banyaknya peralatan-peralatan yang dicatu oleh
sumber tegangan bolak-balik satu fasa akan menimbulkan ketidakseimbangan pada
sistem. Kondisi ini sering dijumpai di gedung perkantoran di mana banyak digunakan
peralatan berbasis teknologi informasi yang makin memperburuk kualitas daya sistem
sehingga akhirnya akan menjadi masalah yang sangat serius di masa mendatang
seiring bertambahnya pemakaian beban tak linier.
1.1 ELEKTRONIKA DAYA
Elektronika daya merupakan disiplin ilmu yang berada dalam rumpun teknik elektro.
Disiplin ini menggabungkan beberapa disiplin ilmu lain, di antaranya
Fisika semikonduktor
Rangkaian listrik
Kontrol
Pemrosesan sinyal
Elektronika
Elektromagnet
Sistem tenaga
Mesin listrik
Fokus elektronika daya adalah tentang pengkonversian energi listrik dari satu bentuk
ke bentuk lainnya (Gambar-1.1) dengan implementasi komponen semikonduktor agar
dicapai beberapa keuntungan, yaitu
Efisiensi
Keandalan
Biaya dan ukuran
Dewasa ini elektronika daya berkembang sangat pesat karena adanya beberapa
faktor, di antaranya
Berkembangnya komponen semikonduktor
Berkembangnya mikroelektronik (DSP, mikroprosesor, dll)
2
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Berkembangnya algoritma kontrol
Bertambahnya permintaan/kebutuhan dalam aplikasi
PowerConverter
Source Loads
Control
Gambar-1.1. Prinsip dan fokus elektronika daya
1.1.1 Konverter
Dalam elektronika daya suatu komponen semikonduktor umumnya dioperasikan
sebagai saklar statis untuk mengendalikan aliran daya pada konverter. Konverter
statis ini merupakan piranti untuk konversi energi yang banyak diterapkan sebagai
catu daya ataupun untuk keperluan sebagai penggerak listrik. Secara prinsip topologi
dasar konverter statis ada tiga macam (Gambar-1.2), yaitu
Rectifier (penyearah), yaitu suatu konverter statis yang mampu mengubah
energi listrik dari masukan tegangan AC menjadi tegangan DC pada keluaran,
penyearah ini dibedakan menjadi
o Penyearah dioda, penyearah ini menghasilkan tegangan DC yang
relatif konstan (Gambar-1.3)
o Penyearah terkendali sudut fasa, penyearah ini menggunakan
thyristor yang dapat dikendalikan saat awal konduksinya untuk
mengatur nilai tegangan DC keluarannya (Gambar-1.4)
o Penyearah berbasis MLP (Modulasi Lebar Pulsa) yang
menggunakan saklar statis berkecepatan tinggi untuk menghasilkan
tegangan DC variabel dengan tetap menjaga tingkat distorsi arus
masukan
Chopper, yaitu suatu konverter statis yang mampu mengubah energi listrik
dari masukan tegangan DC konstan menjadi tegangan DC variabel pada
keluaran, chopper sering disebut juga dengan DC-DC converter dan
dibedakan menjadi
o Step-down chopper yang akan menghasilkan tegangan DC keluaran
dengan magnitude lebih kecil dari tegangan DC masukan (Gambar-
1.5)
o Step-up chopper yang akan menghasilkan tegangan DC keluaran
dengan magnitude lebih besar dari tegangan DC masukan (Gambar-
1.6)
o Step-up/down chopper yang akan menghasilkan tegangan DC
keluaran dengan magnitude lebih besar/kecil dari tegangan DC
masukan (Gambar-1.7)
Inverter, yaitu suatu konverter statis yang mampu mengubah energi listrik
dari masukan tegangan DC menjadi tegangan AC pada keluaran (Gambar-
1.8), inverter dibedakan menjadi
3
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
o Inverter gelombang persegi yang akan menghasilkan gelombang
AC dengan bentuk persegi (square-waveform), inverter jenis ini
umumnya menggunakan saklar statis thyristor (Gambar-1.9)
o Inverter gelombang sinusoidal yang akan menghasilkan gelombang
AC dengan bentuk persegi (sinusoidal-wavforme), inverter jenis ini
umumnya menggunakan saklar statis berkecepatan tinggi (Gambar-
1.10)
o Inverter jenis multilevel yang menggunakan tegangan keluaran
yang tersusun dari beberapa level tegangan (Gambar-1.11)
DCoutput
ACinput
RECTIFIER
DCoutput
DCinput
CHOPPER
ACoutput
DCinput
INVERTER
Gambar-1.2. Konverter dasar dalam disiplin elektronika daya
LoadsV
dcV
(a)
Gambar-1.3. Penyearah dioda (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan (c) tegangan keluaran
LoadsV
dcV
(a)
Gambar-1.4. Penyearah terkendali sudut fasa (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan (c) tegangan keluaran
4
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Load
outVinV
(a)
L
D C
S
Gambar-1.5. Chopper jenis step-down (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan dan tegangan keluaran (c) kendali untuk saklar
S
LD
LoadCinV
(a)
Gambar-1.6. Chopper jenis step-up (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan dan tegangan keluaran (c) kendali untuk saklar
S
L
D
Load
outVC
inV
(a)
Gambar-1.7. Chopper jenis step-up/down (a) skema rangkaian (b) tegangan masukan dan tegangan keluaran saat menurunkan tegangan (c) tegangan masukan dan tegangan keluaran saat menaikkan tegangan
5
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dcV ab
1S
2S
1D
2DL
R
oi
3S3D
4S 4D
dcVCCCCCC
beban
L
Gambar-1.8. Inverter (a) topologi standar (b) topologi multilevel
abv
t
t
t
41 SS
32 SS
dcV
dcV
Gambar-1.9. Tegangan keluaran inverter gelombang persegi
Gambar-1.10. Tegangan keluaran inverter sinusoidal (a) setelah ditapis (b) sebelum ditapis
Gambar-1.11. Tegangan keluaran inverter jenis multilevel
6
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
1.1.2 Implementasi Konverter
Teknologi elektronika daya memegang peranan yang sangat penting dalam proses
pengkonversian energi listrik melalui komponen semikonduktor. Banyak peralatan
berbasis teknologi elektronika diterapkan dalam sektor industri, perkantoran dan
aplikasi rumah tangga. Elektronika daya tidak hanya memperbarui kinerja peralatan
lama tetapi juga melahirkan peralatan baru.
a. Switch-Mode Power Supply
Catu daya DC sangat diperlukan oleh peralatan-peralatan elektronika. Tersedianya
sumber tegangan AC pada sistem memerlukan penyearah untuk menghasilkan
tegangan DC. Agar dapat dimanfaatkan maka tegangan DC harus memenuhi
beberapa persyaratan. Catu daya DC dapat dibedakan menjadi dua jenis menurut
bagaimana suatu komponen semikonduktor dioperasikan, yaitu catu daya DC linier
dan catu daya DC jenis switch-mode. Suatu catu daya DC linier menggunakan
komponen semikonduktor (BJT) yang dioperasikan pada daerah aktif sehingga BJT
akan seperti suatu tahanan yang variabel. Operasi sebagai tahanan variabel
menyebabkan jatuh tegangan pada tahanan tersebut. Pada nilai tegangan DC
keluaran yang kecil maka jatuh tegangan pada BJT akan cukup besar. Catu daya DC
jenis linier cukup sederhana tetapi memiliki efisiensi yang rendah sehingga hanya
sesuai untuk ukuran kecil (Gambar-1.12).
FilterACSource
DCOutput
Base control
Controllerref
LFtransformer
Gambar-1.12. Skema linear DC power supply
Berbeda dengan catu daya DC linier, suatu catu daya jenis switch-mode
mengoperasikan komponen semikonduktor pada daerah jenuh dan cut-off sehingga
komponen beroperasi sebagai saklar statis. Pada Gambar-1.13 ditunjukkan skema
catu daya DC jenis switch-mode yang menggunakan DC-DC converter untuk
melakukan regulasi tegangan keluaran. Karena suatu saklar statis memiliki rugi-rugi
konduksi cukup kecil maka catu daya jenis ini sangat efisien dan sesuai untuk ukuran
lebih besar.
b. AC Controller
Dalam aplikasi sering dijumpai tegangan sistem yang berfluktuasi pada range yang
cukup besar sehingga mengganggu operasi peralatan listrik. Suatu peralatan
umumnya dirancang untuk bekerja pada nilai tegangan tertentu maka untuk
mengantisipasi kondisi ini diperlukan suatu peralatan yang mampu memberikan catu
7
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
tegangan pada nilai yang berada pada range lebih baik, peralatan tersebut dikenal
dengan AC controller.
FilterEMIFilter
ACSource
DC-DCconverter
Filter
DCOutput
Driver
Controllerref
Gambar-1.13. Skema switch-mode DC power supply
ACOUTPUT
ACINPUT
Control
ACswitch
Gambar-1.14. Skema AC controller
Dalam implementasi suatu AC controller dapat direalisasikan dengan menggunakan
suatu autotrafo dengan kontak bagian sekunder digerakkan oleh suatu motor listrik.
Dengan aplikasi teknologi elektronika daya maka suatu AC controller dapat dirancang
lebih sederhana dan murah. Pada Gambar-1.14 ditampilkan skema AC controller
yang menggunakan suatu trafo multi-tap pada sisi sekundernya. Selanjutnya
beberapa saklar statis diimplementasikan sebagai kontak antara terminal keluaran
dengan tap-tap pada sisi sekunder trafo.
c. Uninterruptible Power Supply (UPS)
Suatu UPS dapat didefinisikan sebagai suatu peralatan listrik yang mampu
menyediakan daya cadangan pada saat sumber energi listrik utama (utility) gagal
beroperasi. Suatu UPS umumnya menggunakan batere sebagai sumber energi pada
saat beroperasi sehingga hanya mampu bekerja selama beberapa menit. Interval
waktu tersebut dapat dimanfaatkan oleh konsumen untuk menghidupkan generator
cadangan ataupun mematikan peralatan penting yang sedang bekerja. UPS sering
dipakai pada peralatan komputer, telekomunikasi, pusat data dan peralatan lain di
mana terjadinya kegagalan dalam penyediaan daya akan mengakibatkan dampak
serius.
8
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Pada Gambar-1.15 disajikan diagram blok UPS jenis OFF-LINE, pada kondisi
tegangan sistem dalam keadaan normal maka UPS jenis ini akan menghubungkan
beban kritis dengan catu sistem melalui transfer switch, pada kondisi ini batere juga
akan diisi oleh penyearah. Sedangkan saat tegangan sistem mengalami kegagalan
maka energi yang tersimpan pada batere akan dikirimkan ke beban melalui inverter
(diubah menjadi tegangan AC). Kelemahan UPS ini adalah jika tegangan sistem
memiliki fluktuasi yang jelek maka beban kritis juga akan mendapatkan catu dengan
kualitas yang jelek pula.
Rectifier Inverter
Battery
Filter
ToCriticalLoadsSystem
Transferswitch
Transferswitch
Gambar-1.15. Diagram blok Uninterruptible Power Supply tipe OFF-LINE
Untuk mengantisipasi kelemahan ini maka dipasang multi-tap transformer untuk
memperbaiki fluktuasi tegangan sistem yang dikirimkan ke beban (Gambar-1.16).
Berbeda dengan kedua jenis UPS tadi, pada Gambar-1.17 ditunjukkan diagram blok
UPS jenis ON-LINE yang tidak memerlukan transfer switch. Pada saat tegangan
sistem dalam keadaan normal maka penyearah akan mengisi batere dan
menyediakan catu DC bagi inverter serta selanjutnya inverter akan menghasilkan
tegangan AC untuk beban kritis. Sedangkan pada saat tegangan sistem mengalami
kegagalan maka energi yang tersimpan pada batere akan dikirimkan ke beban melalui
inverter.
Rectifier Inverter
Battery
Filter
ToCriticalLoadsSystem
Transferswitch
Transferswitch
Multi-tapTransformer
Gambar-1.16. Diagram blok Uninterruptible Power Supply tipe OFF-LINE INTERACTIVE
9
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Rectifier Inverter
Battery
Filter
ToCriticalLoads
System
Gambar-1.17. Diagram blok Uninterruptible Power Supply tipe ON-LINE
d. Penggerak Listrik (Electric Drive)
Motor listrik memiliki peranan sangat penting dalam sektor industri. Pengaturan
kecepatan atau pengaturan posisi sangat diperlukan untuk aplikasi-aplikasi tertentu.
Dengan perkembangan teknologi elektronika daya maka berbagai kemudahan dan
keuntungan dapat diperoleh dalam melakukan pengaturan suatu motor. Diagram blok
suatu penggerak motor listrik ditunjukkan pada Gambar-1.18. dengan menggunakan
suatu konverter maka aliran daya dari sistem ke motor listrik dapat dikendalikan
sesuai keinginan. Untuk aplikasi pada motor listrik jenis DC maka konverter yang
digunakan dapat berupa suatu chopper atau penyearah terkendali. Sedangkan untuk
aplikasi pada motor listrik jenis AC maka konverter yang dipakai adalah inverter.
PowerConverter
Motor Process
Driver
Controller
SOURCE
Gambar-1.18. Sistem penggerak untuk motor listrik
e. Pengkondisi Daya (Power Conditioner)
Elektronika daya memberikan keunggulan dalam proses konversi energi listrik, di sisi
lain elektronika daya menyebabkan munculnya kandungan harmonisa yang
merugikan sistem. Tetapi elektronika daya pula yang mampu mengurangi kandungan
harmonisa. Dalam suatu sistem yang ideal maka tegangan dan arus akan berbentuk
sinusoidal, kondisi ini dikatakan ideal karena komponen harmonisa tidak muncul
sehingga tingkat distorsinya sama dengan nol. Dominasi perangkat berbasis
elektronika daya mengakibatkan munculnya harmonisa sehingga baik tegangan atau
arus akan mengalami distorsi dan menjadi tidak sinusoidal lagi. Kondisi akan akan
berdampak negatif terhadap peralatan lain yang terpasang pada sistem.
Suatu pengkondisi daya pada dasarnya merupakan suatu konverter yang
menggunakan saklar statis berkecepatan sangat tinggi. Dengan menggunakan prinsip
wave-shaping maka suatu pengkondisi daya akan mampu menghasilkan gelombang
tegangan/arus dengan bentuk yang diinginkan. Jika dalam suatu sistem, tegangan
sumber mencatu beban tak linier penghasil harmonisa jenis sumber arus maka arus
10
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
beban sumber akan mengalami distorsi. Untuk mereduksi kandungan harmonisa
akibat beban tak linier tersebut dapat dipasang suatu tapis daya aktif (shunt active
power filter) yang dipasang paralel dengan sistem. Tapis daya aktif ini akan
menginjeksikan komponen arus harmonisa dengan magnitude sama seperti
komponen harmonisa arus beban tetapi dengan polaritas berlawanan (Gambar-1.19).
Sedangkan pemasangan beban tak linier jenis sumber tegangan membutuhkan
kompensasi berupa injeksi tegangan. Pada kasus ini diperlukan suatu tapis daya aktif
(series active power filter) yang dipasang secara seri antara sumber tegangan dan
beban (Gambar-1.20).
Current-Sourse type Nonlinear
Loads
source
Shunt Active Power Filter
Lisi
ci
Gambar-1.19. Tapis daya aktif jenis shunt
Voltage-Sourse type Nonlinear
Loads
source
Series Active Power Filter
sv Lv
cv
Gambar-1.20. Tapis daya aktif jenis seri
Selain harmonisa, gangguan terkait kualitas daya lainnya yang sering terjadi adalah
voltage sags dan voltage swells. Pada gangguan tersebut magnitude tegangan akan
naik atau turun selama beberapa periode. Untuk mengamankan beban-beban listrik
yang sensitif maka dapat dipakai suatu Dynamic Voltage Restorer (DVR). Suatu DVR
akan menginjeksikan selisih tegangan sumber dan tegangan ideal guna menjamin
beban sensitif memperoleh nilai tegangan yang diinginkan. Pada Gambar-1.21
disajikan suatu DVR yang menggunakan tegangan DC dari proses penyearahan
tegangan sumber. Jenis lain dari DVR juga dapat menggunakan tegangan DC dari
tegangan sisi beban yang disearahkan atau bahkan pada kasus tertentu dapat juga
menggunakan suatu elemen penyimpan energi berupa kapasitor (Gambar-1.22
hingga Gambar-1.24)
11
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
SensitiveLoads
source
DVR
Gambar-1.21. Dynamic Voltage Restorer (DVR)
SensitiveLoads
source
SeriesConverter
ShuntConverter
Gambar-1.22. Dynamic Voltage Restorer (DVR) dengan energi DC-Link dari sisi sumber
SensitiveLoads
source
SeriesConverter
ShuntConverter
Gambar-1.23. Dynamic Voltage Restorer (DVR) dengan energi DC-Link dari sisi beban
SensitiveLoads
source
SeriesConverter
EnergyStorage
Gambar-1.24. Dynamic Voltage Restorer (DVR) dengan energi DC-Link dari penyimpan energi
12
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
1.2 KUALITAS DAYA
Kualitas daya merupakan topik yang sangat dibutuhkan sekali di era disiplin elektro
modern ini. Dengan berkembangnya teknologi elektronika daya maka manfaat dan
dampak yang muncul dalam sistem kelistrikan harus diperhatikan. Permasalahan
kualitas daya dapat didefinisikan sebagai segala variasi dalam suplai daya listrik ke
sisi konsumen yang berdampak pada operasi peralatan yang kurang baik hingga
terjadinya kerusakan. Gangguan-gangguan yang menyebabkan turunnya kualitas
daya dalam sistem tenaga listrik dapat dikelompokkan menurut klasifikasi berikut
Voltage sags/dips
Voltage swell
Transient overvoltages
Harmonisa
Regulasi tegangan
Flicker (voltage fluctuation)
dan gangguan lainnya
1.2.1 Voltage Sags (Dips)
Voltage sags merupakan gangguan yang terjadi akibat turunnya tegangan yang
berlangsung mulai dari satu siklus hingga satu detik. Menurut IEEE Standard 1159-
1995 IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, durasi
dinyatakan antara 0,5 siklus hingga 1 menit pada frekuensi daya. Pengukuran suatu
voltage sags dinyatakan sebagai prosentase tegangan nominal yang tersisa.
Sehingga jika dinyatakan suatu voltage sags sebesar 60% berarti tegangan yang
tersedia pada sistem adalah sebesar 60% dari tegangan nominal. Gangguan jenis ini
dapat disebabkan adanya
Penambahan beban secara mendadak akibat hubungan pendek
Pengasutan motor
Penyalaan pemanas listrik
Transformer energizing
Variasi beban secara mendadak
Akibat yang dapat ditimbulkan oleh voltage sags adalah kehilangan daya dan
peralatan mengalami trip.
Gambar-1.25. Gangguan tegangan berupa voltage sags
Dalam beberapa literatur kadang kala volatge dips dibedakan terhadap voltage sags.
Suatu voltage dips dapat dianggap sebagai turunnya bahkan hilangnya tegangan
untuk rentang waktu yang sangat pendek sedangkan voltage sags diperuntukkan
pada gangguan serupa tetapi dengan rentang waktu lebih lama. Pengukuran suatu
voltage sags dinyatakan sebagai prosentase turunnya tegangan nominal. Sehingga
13
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
jika dinyatakan suatu voltage dip sebesar 40% berarti tegangan yang tersedia pada
sistem adalah sebesar 60% dari tegangan nominal. Pada gangguan ini energi yang
dibutuhkan oleh peralatan (konsumen) tidak terpenuhi sehingga akan muncul
konsekuensi yang serius bergantung tingkat sensitivitas peralatan.
Peralatan berbasis komputer yang sangat dominan dewasa ini dapat terpengaruh oleh
gangguan ini. Computer and Business Equipment Manufacturers Association
(CBEMA) merekomendasikan batasan terhadap ketidaknormalan tegangan melalui
kurva CBEMA yang selanjutnya dimodifikasi sebagai kurva Information Technology
Industry Council (ITIC). Pada kedua kurva ditunjukkan batasan antara besarnya
prosentase tegangan nominal terhadap durasi waktu suatu peralatan dikenai nilai
tegangan tersebut.
Gambar-1.26. Kurva CBEMA (Computer and Business Equipment Manufactures Association)
Gambar-1.27. Kurva ITIC (Information Technology Industry Council)
1.2.2 Voltage Swells
Voltage swells merupakan gangguan yang terjadi akibat naiknya tegangan dalam
rentang waktu yang sama seperti voltage sags (Gambar-1.28). Gangguan ini
umumnya disebabkan terjadinya pengurangan beban secara mendadak atau karena
regulasi tegangan yang kurang baik.
14
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-1.28. Gangguan tegangan berupa voltage swell
1.2.3 Tegangan Lebih Peralihan
Merupakan gangguan yang terjadi akibat naiknya tegangan pada frekuensi tinggi.
Gangguan jenis ini dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
Tegangan lebih peralihan frekuensi rendah dengan frekuensi berkisar ratusan
Hz yang umumnya diakibatkan terjadinya pensaklaran kapasitor. Gangguan
ini sering dinamakan capacitor switching transient.
Tegangan lebih peralihan frekuensi tinggi dengan frekuensi berkisar ratusan
kHz, umumnya disebabkan oleh gangguan petir dan beban induktif.
Gangguan ini sering disebut impulse, spike atau surge.
Dampak yang muncul akibat gangguan ini adalah terjadinya arus lebih (overcurrent)
dan terputusnya peralatan.
Gambar-1.29. Gangguan tegangan berupa osilasi akibat koneksi capacitor bank
1.2.4 Harmonisa
Sistem distribusi tenaga listrik dirancang untuk beroperasi pada tegangan dan arus
yang berbentuk sinusoidal. Tetapi dalam praktis, tidak semua gelombang tersebut
merupakan sinusoidal bahkan dewasa ini pemakaian beban tak linier cenderung
meningkat. Sebagai contoh, suatu penyearah dioda berbeban kapasitif yang
terpasang pada sistem akan menarik arus sumber yang bukan sinusoidal karena arus
hanya mengalir ketika tegangan sesaat sumber lebih tinggi dari tegangan keluaran.
Secara umum, munculnya harmonisa dalam sistem tenaga dapat disebabkan oleh
Beban tak linier
Kejenuhan reaktansi
Konverter statis
Beberapa akibat yang dapat ditimbulkan oleh harmonisa di antaranya adalah
Resonansi
Pemanasan lebih
Terganggunya operasi peralatan
15
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-1.30. Beban penyearah dioda (a) rangkaian (b) gelombang tegangan dan arus
1.2.5 Regulasi Tegangan
Istilah ini digunakan untuk menyatakan gangguan yang disebabkan variasi tegangan
untuk rentang waktu cukup lama. Kemampuan suatu peralatan untuk mampu
menghadapi variasi tegangan tertentu pada kondisi tunak akan berbeda dengan
kemampuan peralatan lain. Kemampuan ini akan menentukan spesifikasinya. ITIC
(The Information Technology Industry Council) merekomendasikan persyarakan bagi
peralatan berbasis informasi terhadap tegangan tertentu yang mengacu pada kurva
ITI (kurva CBEMA). Kurva ITI tahun 1996 mensyaratkan bahwa suatu peralatan
harus mampu bekerja pada variasi tegangan hingga +/- 10% selama rentang waktu
10 detik. Di Amerika Serikat standar yang dipakai adalah ANSI C84.1 yang membuat
dua kategori Range A dan Range B, di mana Range A ditujukan pada kondisi normal
dengan syarat regulasi tegangan sebesar +/-5% untuk tegangan dasar 120 Volt dan -
2,5% hingga +5% untuk tegangan dasar 600 Volt. Sedangkan Range B ditujukan
pada kondisi yang tidak umum (durasi pendek) dengan syarat regulasi -8,8% hingga
+5,8%. Standar lainnya juga mensyaratkan regulasi yang berbeda, seperti EN50160
yang dipakai di negara-negara Eropa mensyaratkan regulasi +/-10% begitu juga
dengan standar IEC 61000-2-2 yang dipakai di negara lainnya.
Gambar-1.31. Regulasi Tegangan yang disyaratkan oleh ANSI C84.1
16
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
1.2.6 Flicker (Voltage Fluctuations)
Di dalam sistem tenaga listrik, fluktuasi tegangan secara cepat dan tiba-tiba dapat
terjadi akibat fluktuasi beban yang cepat seperti yang diakibatkan oleh las listrik
(welding machine), tanur listrik (electric arc furnace), dan lain-lain. Fluktuasi tegangan
seperti ini dapat menyebabkan terjadinya flicker pada pencahayaan.
Gambar-1.32. Fluktuasi tegangan yang menyebabkan terjadinya flicker
Gangguan yang terkait dengan variasi tegangan sebenarnya tidak hanya flicker saja
tetapi dapat dikaitkan dengan gangguan voltage dips dan voltage swell. Pada
Gambar-1.32 disajikan bahwa secara magnitude, suatu flicker dapat dikategorikan
sebagai gangguan akibat variasi tegangan yang berada pada nilai 90% hingga 110%
dari nilai tegangan nominal. Gangguan dengan nilai tegangan lebih dari 110% dari
nilai nominalnya dinamakan voltage swell. Jika nilai tegangan berada pada 10%
hingga 90% dari nilai nominalnya maka gannguan tersebut dinamakan voltage dips
sedangkan di bawah 10% dari nilai nominal maka dapat dikategorikan sebagai
interupsi (terputusnya daya).
Gambar-1.33. Klasifikasi variasi tegangan
Gangguan flicker dalam sistem kelistrikan dapat mengakibat gangguan psikologis
yang akan mengganggu tingkat konsentrasi, dampak lain dari flicker adalah dapat
mengganggu jalannya proses produksi. Sebagai contoh : terjadinya fluktuasi tegangan
pada terminal motor induksi pada suatu industri akan menyebabkan perubahan pada
torka dan slip yang akhirnya akan mengganggu proses produksi. Pada kondisi yang
sangat ekstrim maka terjadinya fluktuasi tegangan juga menyebabkan getaran
berlebihan serta mengurangi umur suatu mesin.
17
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
1.2.7 Gangguan Lain
Selain gangguan pada tegangan yang telah diuraikan di atas, masih ada beberapa
gangguan lainnya, yaitu variasi frekuensi, high frequency noise, ketidakseimbangan,
dan lain-lain. Permasalahan yang terkait kualitas daya umumnya disebabkan oleh
gangguan-gangguan yang terjadi di dalam sistem tenaga listrik tersebut. Dari
beberapa gangguan yang terkait kualitas daya sistem, gangguan akibat harmonisa
merupakan salah satu gangguan yang sangat merugikan di dalam sistem tenaga
listrik karena terjadi pada kondisi tunak sehingga permasalahan yang ditimbulkan oleh
harmonisa menjadi masalah serius dalam perbaikan kualitas daya sistem.
Permasalahan kualitas daya pada umumnya selalu terkait dengan ketidaknormalan
yang terjadi pada tegangan, arus dan frekuensi serta dapat menyebabkan kegagalan
operasi, terputusnya penyaluran daya listrik hingga akhirnya memberi dampak
ekonomi bagi konsumen. Beberapa pertimbangan lain yang dapat dijadikan alasan
guna melakukan perbaikan kualitas daya sistem tenaga listrik adalah
Teknologi mikroelektronika mendominasi peralatan-peralatan di berbagai
sektor, implementasinya dalam bentuk chip yang bekerja pada rating daya
kecil tetapi membutuhkan tegangan yang stabil.
Teknologi elektronika daya telah banyak menghasilkan catu daya dengan
efisiensi tinggi yang selalu ditingkatkan kapasitasnya. Peralatan berbasis
teknologi elektronika daya ini merupakan penyebab terjadinya distorsi pada
sistem, diperkirakan aplikasi teknologi ini akan terus meningkat di masa
mendatang.
Capacitor bank banyak dipasang baik oleh penyedia daya listrik maupun
konsumen untuk memperbaiki faktor daya. Kapasitor ini sangat rentan jika
diimplementasikan pada sistem yang terkontaminasi harmonisa.
Harmonisa dapat menyebabkan dampak negatif kepada peralatan-peralatan
yang terpasang pada sistem.
Walaupun sisi pembangkitan menghasilkan daya listrik dengan kualitas baik tetapi jika
jaringan distribusi banyak didominasi beban penghasil harmonisa maka konsumen
tetap akan menerima tegangan dengan kualitas yang rendah.
1.3 KESIMPULAN
Elektronika daya memegang peranan penting dalam perkembangan disiplin teknik
elektro. Ditemukannya saklar statis yang mampu bekerja dengan kecepatan tinggi
mendorong dikembangkannya topologi konverter. Dominasi pemakaian peralatan
berbasis elektronika daya banyak dijumpai di berbagai sektor. Selain keuntungan
yang didapatkan, pemakaian saklar statis juga menimbulkan kerugian akibat
munculnya harmonisa. Berbagai gangguan lain juga dapat mengakibatkan turunnya
kualitas daya suatu sistem.
1.4 DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim , Harmonic Theory, Jessler & Gsell. Ltd – Power Electronic Energy
Management
2. Reynders, K., Power Quality, Laborelec
18
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
3. Martinez Velasco (2005), Computer Analysis of Voltage Variations in Power
Systems: Application to Overvoltages and Voltage Sags, Universitat Politècnica de
Catalunya- Barcelona, Spain
4. Paul Wright and Paul Clarkson (2004), Harmonics and Flicker, Measurements
Seminar, National Physical Laboratory, UK
5. Ian K.P. Ross (2006), VOLTAGE SAGS AN EXPLANATION, CAUSES, EFFECTS
AND CORRECTION, Omniverter Inc
6. Nielsen, J. G. and Blaabjerg, F. (2005) : A Detailed Comparison of System
Topologies for Dynamic Voltage Restorer, IEEE Transc. on Industry Appl., Vol. 41
No. 5, Sept-Oct 2005, pp. 1272-1280
7. Dr. Zainal Salam (2003) : Power Electronic and Drives (Version 3), UTM-JB
19
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
BEBAN TAK LINIER
DAN HARMONISA
BAB 2
Dalam suatu sistem yang ideal maka bentuk gelombang tegangan dan arusnya akan
berupa gelombang sinusoidal murni. Dalam aplikasi praktis di lapangan seringkali
arus yang tidak sinusoidal mengalir, jika kondisi ini terjadi maka dikatakan terjadi
ketidaklinieran hubungan antara tegangan dan arus. Fenomena tersebut ditentukan
oleh beban listrik yang terpasang pada sistem.
Teknologi elektronika daya memiliki peran yang unik, di satu sisi elektronika daya
memberi kontribusi dalam implementasi konverter statis yang lebih efisien dan
ekonomis tetapi di sisi lain teknologi ini juga menurunkan kualitas daya akibat
harmonisa yang ditimbulkannya. Dan anehnya lagi, teknologi elektronika daya juga
mampu mereduksi kandungan harmonisa dalam sistem. Dewasa ini pemanfaatan
energi listrik didominasi oleh peralatan-peralatan yang berbasis pada elektronika
daya, khususnya dalam aplikasinya sebagai konverter statis. Penyearah dioda dan
penyearah thyristor memegang peranan penting dalam penyediaan sumber tegangan
searah. Akibat penggunaan penyearah jenis ini maka muncul distorsi pada arus dan
tegangan.
2.1 KETIDAKLINIERAN ANTARA TEGANGAN DAN ARUS
Jika beban yang terpasang hanya mengandung elemen rangkaian linier yang berupa
resistor, induktor dan kapasitor maka arus yang mengalir akan sebanding dengan
tegangan sumber dan memiliki frekuensi sama dengan frekuensi tegangan sumber
(Gambar-2.1). Penggunaan beban linier yang bersifat resistif menyebabkan arus
sumber sinusoidal dan sefasa dengan tegangan sumber sedangkan penggunaan
beban linier yang bersifat induktif/kapasitif mengakibat terjadinya pergeseran fasa
(Gambar-2.2). Hubungan antara tegangan dan arus yang linier disajikan pada
Gambar-2.3.
Dalam implementasi di lapangan sering dijumpai penggunaan beban yang
menyebabkan hubungan tegangan dan arus tidak linier. Implementasi peralatan
elektronika daya sudah merambah hampir ke semua sektor aplikasi. Terjadinya
proses pensaklaran dalam peralatan menjadi salah satu faktor utama terbentuknya
ketidaklinieran tersebut. Munculnya arus yang tidak linier menunjukkan adanya
kandungan harmonisa sehingga akan mengakibatkan terjadinya distorsi arus dan
tegangan. Pada Gambar-2.4 disajikan skema penggunaan elektronika daya sebagai
saklar statis untuk mengatur aliran daya dari sumber ke beban, sedangkan hubungan
antara tegangan dan arus yang tidak linier ditunjukkan pada Gambar-2.5.
20
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
sV
si
LinearLoads
Gambar-2.1. Pemasangan beban linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal
Gambar-2.2. Gelombang tegangan dan arus dengan pembebanan linier (a) tegangan sumber (b) arus resistif (c) arus resistif-induktif (d) arus resistif-kapasitif
v(t)
i(t)
load
line
angle
angle
CurrentWaveform
Volta
ge
Wavefo
rm
Gambar-2.3. Hubungan tegangan dan arus pada pemasangan beban linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal
21
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
sV
si
NonlinearLoads
Gambar-2.4. Pemasangan beban tak linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal
v(t)
i(t)
load line
angle
angle
CurrentWaveform
Volta
ge
Wavefo
rm
Gambar-2.5. Hubungan tegangan dan arus pada pemasangan beban tak linier pada sistem dengan tegangan sinusoidal
2.2 JENIS BEBAN TAK LINIER
Suatu beban yang mengakibatkan hubungan tegangan dan arus menjadi tidak linier
dapat didefinisikan sebagai beban tak linier. Karena beban tak linier adalah penghasil
komponen harmonisa maka beban tak linier dapat juga dinamakan sumber harmonisa
(harmonic source). Sumber harmonisa dapat dikategorikan menjadi dua macam, yaitu
jenis sumber tegangan (voltage-source type of harmonic source) dan sumber arus
(current-source type of harmonic source). Untuk memahami kedua jenis sumber
harmonisa tersebut maka dapat dianalogikan dengan sumber tegangan/arus. Dalam
analisis rangkaian listrik dikenal suatu sumber tegangan ideal, yaitu suatu sumber
energi yang memiliki impedansi sangat kecil sehingga nilai tegangannya akan relatif
konstan tetapi arus yang mengalir akan sangat ditentukan oleh impedansi yang
terpasang. Sedangkan suatu sumber arus akan memiliki impedansi sangat besar
sehingga nilai arusnya relatif konstan tidak terpengaruh oleh impedansi beban
terpasang.
22
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Pada Gambar-2.6 disajikan suatu penyearah dioda yang dilengkapi tapis kapasitor
pada sisi keluarannya untuk memperoleh tegangan DC yang relatif konstan. Bentuk
gelombang tegangan dan arusnya disajikan pada Gambar-2.7. Dari gambar tersebut
tampak bahwa arus sumber akan sangat terdistorsi. Distorsi yang terjadi pada
tegangan terjadi karena adanya impedansi sumber. Pembebanan jenis ini
menyebabkan distorsi tegangan cukup signifikan (Gambar-2.8). Rangkaian ekuivalen
pembebanan tak linier jenis ini ditampilkan pada Gambar-2.9.
Untuk memberi komparasi maka pada Gambar-2.10 disajikan suatu penyearah
thyristor dengan beban yang bersifat induktif. Dengan mengingat bahwa suatu
thyristor dapat dinyalakan pada sudut fasa tertentu maka pada Gambar-2.11
ditunjukkan gelombang tegangan dan arusnya.
sV
Li
Voltage-Source typeHarmonic Source
sZ
Gambar-2.6. Penyearah dioda berbeban kapasitif sebagai sumber harmonisa jenis sumber tegangan
Gambar-2.7. Pengaruh impedansi sumber terhadap arus beban tak linier jenis sumber tegangan (a) Z=0,2 Ohm+j0,01 H (b) Z=0,4 Ohm+j0,04 H
23
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-2.8. Pengaruh impedansi sumber terhadap tegangan sumber pada pembebanan tak linier jenis sumber tegangan (a) Z=0,2 Ohm+j0,01 H (b) Z=0,4 Ohm+j0,04 H
sV
sZLi
LhV
Volta
ge-S
ource
type
Harm
onic S
ource
AC S
ource
Gambar-2.9. Rangkaian ekuivalen dari pembebanan yang mengakibatkan terjadinya harmonisa jenis tegangan
sV
Li
Current-Source typeHarmonic Source
sZ
Gambar-2.10. Penyearah thyristor berbeban induktif sebagai sumber harmonisa jenis sumber arus
24
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-2.11. Pengaruh impedansi sumber terhadap arus beban tak linier jenis sumber arus (a) Z=0,2 Ohm+j0,01 H (b) Z=0,4 Ohm+j0,04 H
Gambar-2.12. Pengaruh impedansi sumber terhadap tegangan sumber pada pembebanan tak linier jenis sumber arus (a) Z=0,2 Ohm+j0,01 H (b) Z=0,4 Ohm + j0,04 H
sV
sZLi
Lhi
Curre
nt-S
ource
type
Harm
onic S
ource
AC S
ource
Gambar-2.13. Rangkaian ekuivalen dari pembebanan yang mengakibatkan terjadinya harmonisa jenis arus
25
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
2.3 HARMONISA
Fourier, seorang ahli matematika dari Perancis menyatakan bahwa setiap gelombang
yang periodik dapat dinyatakan oleh suatu deret dari gelombang sinusoidal dengan
frekuensi kelipatan dari frekuensi fundamental, secara umum dinyatakan dengan
~
1h
hho thsinbthcosa2
atf (2-1)
di mana T
2
dttfa
T
0
o , dtthcostfa
T
0
n
dtthsintfb
T
0
n dan h = 1, 2, 3, …
Persamaan (2-1) merupakan bentuk trigonometris dari deret Fourier, untuk lebih
menyederhanakan maka persamaan (2-1) dapat disajikan dalam bentuk
~
1h
hho thsincctf (2-2)
di mana 2
ac o
o
2h
2hh bac
h
h1h
a
btg
Sebagai ilustrasi, disajikan gelombang persegi (Gambar-2.14) yang akan dianalisis
dengan menggunakan deret Fourier. Implementasi persamaan (2-2) pada gelombang
tersebut menghasilkan
...t
T
25sin
5
1t
T
23sin
3
1t
T
2sin
A4tf square
(2-3)
Persamaan (2-3) menunjukkan bahwa hanya komponen harmonisa orde ganjil yang
muncul dalam analisis. Pada Gambar-2.15 ditunjukkan sintesis dari empat komponen
harmonisa pertama untuk menyusun gelombang persegi, dengan mengambil orde
lebih banyak maka hasil sintesis yang diperoleh akan makin mendekati gelombang
persegi. Pada sistem tiga fasa dikenal komponen urutan fasa seperti tampak pada
Gambar-2.16. Suatu urutan fasa dinamakan urutan positif jika fasor tegangan atau
arus diputar berlawanan arah dengan jarum jam (counter clockwise) memiliki urutan
ABC (dalam arti urutan tegangan adalah cba V,V,V ), sedangkan urutan negatif
ditandai dengan urutan ACB (dalam arti urutan tegangan bca V,V,V ). Untuk urutan
yang memiliki arah fasor sama dinamakan urutan nol. Pada tegangan atau arus yang
terdistorsi, maka besaran tersebut akan mengandung komponen fundamental dan
komponen-komponen harmonisa. Komponen-komponen tersebut memiliki urutan
yang berbeda.
26
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-2.14. Gelombang persegi dan spektrumnya
Gambar-2.15. Sintesis empat harmonisa pertama untuk membentuk gelombang persegi
aV
bV
cV
aV
bV
cV
0
aV
0
bV
0
cV
urutan positif urutan negatif urutan nol
Gambar-2.16. Komponen urutan positif, negatif dan nol
Harmonisa akan memiliki urutan yang berbeda bergantung dari ordenya, semua
harmonisa kelipatan-3 (triplen harmonics) selalu merupakan komponen urutan nol.
27
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Harmonisa orde-1, 4, 7, 10, 13 dst memiliki urutan positif, sedangkan harmonisa orde-
2, 5, 8, 11, 14 dst memiliki urutan negatif. Pada Tabel-2.1 ditampilkan sepuluh
harmonisa pertama beserta jenis urutannya.
Tabel-2.1. Urutan pada harmonisa untuk sistem seimbang
Komponen Urutan
fundamental positif
harmonisa orde-2 negatif
harmonisa orde-3 nol
harmonisa orde-4 positif
harmonisa orde-5 negatif
harmonisa orde-6 nol
harmonisa orde-7 positif
harmonisa orde-8 negatif
harmonisa orde-9 nol
harmonisa orde-10 positif
Di dalam analisis harmonisa terdapat beberapa parameter penting yang sering
digunakan untuk menjabarkan sejauh mana pengaruh harmonisa terhadap sistem
tenaga listrik, di antaranya adalah (IEEE std 519, 1992)
Total Harmonic Distortion (Distorsi Harmonisa Keseluruhan)
Total Harmonic Distortion (THD) yang didefinisikan sebagai perbandingan
antara nilai efektif dari komponen-komponen harmonisa terhadap nilai efektif
komponen fundamental dari besaran tersebut yang dinyatakan dalam prosen
1
~
2h
2h
VV
V
THD
atau 1
~
2h
2h
II
I
THD
(2-4)
Indeks THD sering dipakai untuk mengukur deviasi kandungan harmonisa
pada gelombang sinusoidal. Untuk gelombang sinusoidal murni yang hanya
memiliki komponen fundamental maka nilai THD-nya sama dengan nol.
Sedangkan jika nilai harmonisa tidak diambil secara keseluruhan tetapi
masing-masing orde maka THD akan menjadi IHD (Individual Harmonic
Distortion)
Total Demand Distortion
Total Demand Distortion (TDD) merupakan distorsi arus harmonisa total dan
didefinisikan dengan persamaan
L
~
2h
2h
I
I
TDD
(2-5)
di mana LI merupakan arus beban maksimal yang dibutuhkan (selama 15–
30 menit) pada frekuensi fundamental, dihitung sebagai nilai rata-rata dari
28
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
arus beban maksimum yang dibutuhkan selama 12 bulan. Konsep TDD ini
sesuai untuk penerapan IEEE 519-1992 Standard.
Tabel-2.2. IEEE Std 519-1992 Current Distortion Limits
Tabel-2.3. IEEE Std 519-1992 Voltage Distortion Limits
Untuk menjaga agar kualitas daya dari sistem tetap terjaga maka beberapa batasan
telah dikeluarkan untuk membatasi kandungan harmonisa yang diakibatkan oleh
pemasangan beban-beban tak linier. IEEE 519-1992 Standard menentukan batasan
terhadap distorsi tegangan dan arus untuk distribusi primer dan sekunder tegangan
rendah, sub-transmisi dan sistem transmisi tegangan tinggi. Tabel-2.2 dan Tabel-2.3
menunjukkan batasan yang direkomendasikan oleh IEEE 519-1992 Standard
29
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
terhadap harmonisa dan distorsi tegangan pada rating tegangan sistem yang
berbeda. IEEE 519-1992 Standard juga menentukan batasan terhadap arus
harmonisa konsumen individu yang dievaluasi pada PCC (Point of Common
Coupling). Batasan yang direkomendasikan ini bergantung pada beban konsumen
terkait dengan kapasitas hubung singkat sistem pada PCC, di mana batasan arus
dinyatakan sebagai prosentase arus beban kebutuhan maksimum yang memiliki
frekuensi fundamental pada PCC.
2.4 KESIMPULAN
Pemakaian peralatan yang mengimplementasikan komponen semikonduktor sebagai
saklar statis selalu menimbulkan distorsi akibat harmonisa. Beban listrik demikian
dikategorikan sebagai beban tak linier. Beban jenis ini terdiri dari dua tipe, yaitu
bersifat seperti sumber tegangan harmonisa atau yang bersifat seperti sumber arus
harmonisa. Melalui deret Fourier maka gelombang yang terdistorsi dapat diuraikan
menjadi komponen fundamental dan komponen harmonisa.
2.5 DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim , Harmonic Theory, Jessler & Gsell. Ltd – Power Electronic Energy
Management
2. Grusz, T. M. (1990), A Survey of Neutral Currents in Three-Phase Computer
Power Systems, IEEE Trans. on Industry Applications, vol.26, no.4, 719-725
3. Lai, J. S. dan Key, T. S. (1997), Effectiveness of Harmonic Mitigation Equipment
for Commercial Buildings, IEEE Trans. on Industry Applications, vol-33, no.4, 1104-
1110
4. Peng, F.Z. (1998), Application Issues of Active Power Filters, IEEE Industry
Applications Magazine, 21-30
30
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
31
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
DEKOMPOSISI ARUS
BAB 3
Suatu beban tak linier jenis arus menyebabkan arus mengalami distorsi, arus
demikian jika diuraikan akan mengandung beberapa macam komponen arus terkait
dengan daya yang dihasilkan. Untuk memahami hubungan arus, tegangan dan daya
diperlukan suatu konsep perhitungan daya. Beberapa teori daya terkait dengan beban
linier dan tak linier akan diuraikan. Berbasis pada konsep daya ini selanjutnya analisis
arus dilakukan.
3.1 TEORI DAYA KONVENSIONAL
Konsep tentang daya sering digunakan dalam disiplin teknik elektro, di antaranya
adalah teori daya konvensional yang umum digunakan pada sistem tanpa distorsi.
Untuk memahami konsep daya tersebut maka disajikan suatu sistem satu fasa
(Gambar-3.1) dengan tegangan dan arus yang dijabarkan dalam persamaan berikut
tsinV2tv (3-1)
tsinI2ti (3-2)
di mana
tv = nilai tegangan sesaat
ti = nilai arus sesaat
= sudut fasa tegangan
= sudut fasa arus
Nilai daya sesaat dari sistem di atas dapat dinyatakan dengan perkalian antara
tagangan sesaat dan arus sesaat
titvtp
t2sinsinVIt2cos1cosVItp (3-3)
di mana = selisih sudut fasa antara tegangan dan arus
Persamaan (3-3) mengandung dua komponen, yaitu t2cos1cosVI yang
merupakan gelombang sinusoidal dengan frekuensi dua kali frekuensi sistem dengan
nilai rata-rata cosVI , nilai rata-rata dari komponen tersebut dikenal dengan daya
nyata rata-rata dan dinyatakan dengan
cosVIP (3-4)
dan komponen kedua t2sinsinVI yang merupakan gelombang sinusoidal dengan
puncak sinVI dan frekuensi dua kali sistem tetapi dengan nilai rata-rata sama
dengan nol, nilai puncak ini sering didefinisikan sebagai daya reaktif, dinyatakan
sinVIQ (3-5)
32
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Persamaan (3-5) menunjukkan bahwa daya nyata rata-rata suatu sistem satu fasa
dengan beban linier dapat dinyatakan oleh hasil perkalian antara nilai efektif
tegangan, nilai efektif arus dan kosinus sudut fasa antara tegangan dan arus.
Gambar-3.1. Gelombang tegangan, arus dan daya sesaat untuk sistem satu fasa yang mencatu beban linier
Pada aplikasi untuk sistem tiga fasa ideal dengan beban linier, tegangan dan arus dari
sistem dinyatakan dengan persamaan
tsinV2tva (3-6a)
ob 120tsinV2tv (3-6b)
oc 120tsinV2tv (3-6c)
dan
tsinI2tia (3-7a)
ob 120tsinI2ti (3-7b)
oc 120tsinI2ti (3-7c)
maka daya sesaat dari sistem dinyatakan dengan
cosVI3ivivivtp ccbbaa (3-8)
persamaan daya sesaat tersebut memiliki nilai yang konstan, dan nilai ini merupakan
daya nyata rata-rata sistem tiga fasa, dinyatakan dengan
P3P3 (3-9)
sedangkan daya reaktifnya didefinisikan tiga kali daya reaktif satu fasa
Q3sinVI3Q3 (3-10)
Dalam aplikasi pada kondisi nyata, sering dijumpai kondisi di mana terdapat
kandungan harmonisa (h) terutama pada besaran arus (Gambar-3.2). Jika sistem
yang memiliki tegangan ideal digunakan untuk mencatu beban tak linier maka
persamaan arusnya dapat dinyatakan dengan suatu deret berikut
~
1h
hh thsinI2ti (3-11)
33
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.2. Gelombang tegangan, arus dan daya sesaat untuk sistem satu fasa yang mencatu beban tak linier
Nilai daya sesaat dari sistem tersebut dinyatakan dengan menggunakan persamaan
(3-1) dan (3-11)
~
2h
hh
1111
~
1h
hh
thsintsinVI2
t2sinsinVIt2cos1cosVI
thsinI2tsinV2tp
(3-12)
Persamaan di atas menunjukkan bahwa pada sistem dengan kandungan harmonisa
maka pada daya sesaat juga akan dibangkitkan komponen daya sebagai akibat dari
arus harmonisa. Dari persamaan (3-11), dapat disajikan nilai efektif dari arus, yaitu
sebagai berikut
2h
23
22
21 I...IIII (3-13)
Daya semu S merupakan besaran yang diperoleh sebagai perkalian nilai efektif dari
tegangan dan arus, disajikan
2h
23
22
221
21
2h
23
22
221
2
2h
23
22
21
2
222
I...IIVsinQcosP
I...IIVIV
I...IIIV
IVS
2222 HQPS (3-14)
Dengan mengacu persamaan di atas maka suatu tetrahedron daya dapat
digambarkan seperti Gambar-3.3. Berdasarkan persamaan-persamaan yang telah
diuraikan di atas maka dapat diturunkan beberapa definisi sebagai berikut
displacement factor atau fundamental power factor
1cosPFFund (3-15a)
distortion factor =
cosI
I
S
QPDF 1
22
(3-15b)
34
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
total power factor
coscosI
IPFTotal 1
1 (3-15c)
H Q
P
S
1
Gambar-3.3. Tetrahedron daya
3.2 TEORI DAYA SESAAT
Teori daya sesaat berbasis pada transformasi abc-, yaitu suatu transformasi yang
mengubah besaran dalam koordinat-abc menjadi besaran dalam koordinat- yang
saling tegak lurus (Gambar-3.4) dan dinyatakan dengan
a
b
c
Gambar-3.4. Proyeksi koordinat-abc pada koordinat-
c
b
a
_abc
f
f
f
Tf
f
(3-16)
f
fT
f
f
f
abc_
c
b
a
(3-17)
di mana
35
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
2
3
2
30
2
1
2
11
3
2T _abc dan
2
3
2
1
2
3
2
1
01
3
2T abc_
Daya sesaat pada teori ini dapat ditentukan dengan persamaan
i
i
vv
vv
q
p (3-18)
Pada persamaan (3-18), daya nyata sesaat pada koordinat- merupakan hasil
perkalian tegangan sesaat dan arus sesaat pada sumbu yang sama, kondisi ini dapat
dianggap sebagai dot product antara arus dan tegangan pada sumbu- ditambah
dengan dot product antara tegangan dan arus pada sumbu-. Sedangkan daya reaktif
sesaat merupakan perkalian antara tegangan sesaat dan arus sesaat dari sumbu
yang berbeda dan dapat dianggap sebagai cross product, sehingga arah vektornya
tegak lurus terhadap bidang-. Tanda minus pada persamaan (3-18) menunjukkan
arah vektor yang berlawanan antara iv dan iv . Dalam aplikasi pada sistem tiga
fasa dengan kawat netral, teori ini kurang sesuai maka perlu dilakukan modifikasi
terkait munculnya arus pada kawat netral sehingga menjadi koordinat tiga dimensi
yang saling tegak lurus dan persamaan transformasinya berubah menjadi
c
b
a
0_abc
0 f
f
f
T
f
f
f
(3-19)
di mana
2
3
2
30
2
1
2
11
2
1
2
1
2
1
3
2T 0_abc
3.3 KAJIAN KASUISTIK
Suatu sistem tenaga listrik secara umum terdiri dari pembangkit, penyaluran dan sisi
beban. Energi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik akan disalurkan ke
sisi-sisi beban untuk dimanfaatkan. Pembangkit tenaga listrik dapat berupa PLTU,
PLTA, PLTP dan lain-lain, sedangkan inti dari sistem pembangkitan adalah generator.
Didasari beberapa pertimbangan maka generator AC tiga fasa digunakan untuk
menghasilkan energi listrik. Kapasitas pembangkitan suatu generator dinyatakan
dengan VA (Volt-Ampere) yang merupakan perkalian antara nilai efektif antara
tegangan dan arus. Selanjutnya tegangan sistem akan dinaikkan untuk keperluan
penyaluran (transmisi). Penggunaan tegangan yang lebih tinggi pada penyaluran
ditujukan agar arus yang mengalir pada saluran transmisi menjadi kecil dengan
pertimbangan ukuran konduktor dan rugi-rugi daya. Setelah sampai di sekitar sisi
beban maka tegangan diturunkan pada tingkat yang lebih rendah untuk didistribusikan
kepada konsumen.
36
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Di sisi beban, konsumen akan menggunakan berbagai macam beban yang
menentukan karakteristik arus yang mengalir. Penggunaan beban resistif pada
tegangan sumber ideal akan mengakibatkan arus sinusoidal dan sefasa dengan
tegangan sumber mengalir pada sistem, kondisi ini menyebabkan faktor daya sistem
sama dengan satu yang berarti bahwa seluruh daya semu akan diubah menjadi daya
nyata/kerja (jika rugi jaringan diabaikan). Pemakaian beban induktif/kapasitif membuat
sebagaian daya disimpan secara temporer pada elemen penyimpan energi berupa
induktor atau kapasitor (daya reaktif) sehingga hanya sebagian komponen daya yang
diubah menjadi daya nyata. Kedua jenis beban tersebut memiliki bentuk arus yang
sinusoidal, beban demikian didefinisikan sebagai beban-beban linier. Sedangkan
pemakaian beban tak linier akan mengakibatkan arus yang mengalir pada jaringan
menjadi tidak sinusoidal lagi (terdistorsi), kondisi ini menyebabkan munculnya
komponen arus harmonisa sehingga makin kecil prosentase daya semu yang diubah
menjadi kerja. Pada bagian ini suatu kajian tentang hubungan arus dan beberapa
komponen daya diuraikan. Kajian didasarkan pada kondisi tegangan sumber ideal
dalam sistem tiga fasa dengan beban linier maupun tak linier.
3.3.1 Sistem Tiga Fasa dengan Beban Linier (beban resistif)
Jika diasumsikan rugi-rugi daya pada konduktor dapat diabaikan maka efisiensi
pemanfaatan energi listrik akan ditentukan oleh sejauh mana daya semu dapat diubah
menjadi daya nyata. Sebagai landasan awal kajian maka dimisalkan sistem tiga fasa
dengan tegangan sumber ideal sebesar 220 V(rms) dan arus beban seimbang yang
mengalir sebesar 10 A (rms) bersifat resistif seperti tampak pada Gambar-3.5.
av
bv
cv
ai
bi
ci
R
R
n N
Gambar-3.5. Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban linier resistif
Secara matematis besaran tegangan sesaat dapat disajikan sebagai (Gambar-3.6a)
t100sin2220tva Volt (3-20a)
3
2t100sin2220tvb
Volt (3-20b)
3
2t100sin2220tvc
Volt (3-20c)
dan untuk arus sesaat dinyatakan dengan (Gambar-3.6b)
t100sin210tia Ampere (3-21a)
37
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
3
2t100sin210tib
Ampere (3-21b)
3
2t100sin210tic
Ampere (3-21c)
Daya semu dapat ditentukan dengan mengalikan nilai rms tegangan dan arus,
disajikan dengan persamaan
VA 6600102203
VI3S
(3-22)
Gambar-3.6. Tegangan sumber dan arus yang mengalir pada pembebanan resistif
Daya sesaat (disajikan pada Gambar-3.7) ditentukan dengan cara memasukkan
persamaan (3-20) dan (3-21) ke dalam persamaan
ccbbaa ivivivtp
3
4t220cos110220
3
4t220cos110220t220cos110220tp
Watt6600tp (3-23)
Dalam sistem tiga fasa dengan beban linier seimbang menghasilkan daya sesaat
yang berupa suatu nilai yang konstan. Dengan teori daya konvensional daya nyata
juga dapat ditentukan melalui persamaan berikut
Watt 66001102203
0cosIV3P o
(3-24)
sedangkan daya reaktifnya ditentukan secara definisi dengan
VAR 00102203
0sinIV3Q o
(3-25)
38
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Memperhatikan persamaan (3-22) – (3-25) tampak bahwa seluruh daya semu akan
diubah menjadi daya nyata (karena daya reaktif sama dengan nol). Pada Gambar-3.8
ditunjukkan vektor arus sejajar dengan vektor tegangan, hal ini memiliki arti bahwa
seluruh komponen arus akan berkontribusi pada pembentukan daya nyata ( pI ).
Gambar-3.7. Daya sesaat dan daya nyata pada pembebanan resistif
I = Ip V
Gambar-3.8. Vektor tegangan dan arus pada pembebanan resistif
3.3.2 Sistem Tiga Fasa dengan Beban Linier (beban induktif)
Kajian lebih lanjut dilakukan dengan menggunakan beban linier yang bersifat induktif
(Gambar-3.9). Suatu beban tiga fasa yang mengandung komponen resistor dan
induktor digunakan untuk menghasilkan arus sebesar 14.14 A (rms) yang tertinggal
dengan sudut fasa = 45o (Gambar-3.10), secara matematis arus yang mengalir
dalam sistem disajikan dengan persamaan berikut
4t100sin210tia
Ampere (3-26a)
43
2t100sin210tib
Ampere (3-26b)
43
2t100sin210tib
Ampere (3-26c)
39
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
av
bv
cv
ai
bi
ci
n N
RL
RL
RL
Gambar-3.9. Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban linier induktif
Gambar-3.10. Tegangan sumber dan arus yang mengalir pada pembebanan induktif
maka dengan mengacu pada teori daya konvensional diperoleh nilai daya semu, daya
nyata dan daya reaktif sebesar
VA 266002102203
VI3S
(3-27)
Watt 66002
12102203
45cosIV3P o
(3-28)
VAR 66002
12102203
45sinIV3Q o
(3-29)
Daya nyata juga dapat dihitung dengan menggunakan persamaan daya sesaat seperti
pada persamaan (3-23) dan secara grafis ditampilkan pada Gambar-3.11.
Memperhatikan persamaan (3-27) - (3-29) tampak bahwa daya semu diubah menjadi
daya nyata dan daya reaktif. Arus yang mengalir dalam sistem dapat diuraikan
40
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
menjadi dua komponen, yaitu komponen yang berkaitan dengan terbentuknya daya
nyata (komponen arus ini selalu sefasa dengan tegangan sumber) dan komponen
arus terkait dengan terbentuknya daya reaktif (komponen arus yang kuadratur
terhadap tegangan fasa). Representasi pada domain waktu ditampilkan pada
Gambar-3.12 dan secara vektor ditunjukkan pada Gambar-3.13.
Gambar-3.11. Daya sesaat, daya nyata dan daya reaktif pada pembebanan resistif
Gambar-3.12. Arus aktif dan reaktif yang mengalir pada pembebanan induktif
Ip
V
IIqL
Ip = arus aktif
Iq = arus reaktif
Gambar-3.13. Representasi vektor dari arus aktif dan reaktif yang mengalir pada pembebanan induktif
41
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
3.3.3 Sistem Tiga Fasa dengan Beban Tak Linier tanpa Daya Reaktif
Untuk mendekati kondisi yang menghasilkan arus terdistorsi maka kajian juga
dilakukan dengan menggunakan beban tak linier. Pada kasus dengan beban tak linier
tanpa daya reaktif maka digunakan penyearah dioda berbeban induktif. Suatu
penyearah akan menghasilkan arus yang mengandung komponen harmonisa tetapi
tanpa kandungan daya reaktif (Gambar-3.14).Untuk menyederhanakan kajian, maka
arus sistem yang terdistorsi akan dibatasi pada harmonisa orde-7 yang disajikan
dengan persamaan (Gambar-3.15)
av
bv
cv
ai
bi
ci
n
N
Gambar-3.14. Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban tak linier jenis dioda
t700sin208,0
t500sin24,0t300sin22t100sin210tia
(3-30a)
3
2t700sin208,0
3
4t500sin24,0
t300sin223
2t100sin210tib
(3-30b)
3
2t700sin208,0
3
4t500sin24,0
t300sin223
2t100sin210tic
(3-30c)
Nilai rms dari arus di atas dapat ditentukan dengan persamaan
Ampere
21,1008,04,0210
2
1131,0
2
5656,0
2
828,2
2
14,14
IIIII
2222
2222
27
25
23
21
(3-31)
42
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.15. Tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif
Daya semu dari sistem ditentukan dengan
VA 6,673821,102203
VI3S
(3-32)
Dalam sistem yang terdistorsi maka teori daya konvensional tidak lagi akurat dalam
perhitungannya, maka digunakan teori daya sesaat (pq theory) untuk
menggantikannya. Daya sesaat ditentukan dengan melakukan transformasi persamaan (3-20) dan (3-30) ke dalam sumbu- . Tegangan pada koordinat-
ditentukan dengan
c
b
a
v
v
v
2
3
2
30
2
1
2
11
3
2
v
v
3
2t100sin2220
2
1
3
2t100sin2220
2
1t100sin2220
3
2v
t100sin3220 (3-33a)
3
2t100sin2220
3
2t100sin2220
2
3
3
2v
t100cos3220 (3-33b)
Secara analogi arus pada koordinat- dapat ditentukan dengan memasukkan
persamaan (3-30) ke dalam persamaan di bawah ini
t700sin308,0t500sin34,0t100sin310
i2
1i
2
1ii cba
(3-34a)
43
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
t700cos308,0t500cos34,0t100cos310
i2
31i
2
3i cb
(3-34b)
Daya nyata sesaat ditentukan dengan menggunakan persamaan tegangan dan arus pada koordinat- [persamaan (3-33) dan (3-34)] melalui persamaan
t700cos308,0t500cos34,0
t100cos310t100cos3220t700sin308,0
t500sin34,0t100sin310t100sin3220
ivivtp
t600cos308,0220t600cos34,0220
t100cost100sin310220 22
Watt
t600cos2,2116600
t600cos8,52t600cos2646600
(3-35)
Persamaan (3-35) mengandung dua komponen yaitu komponen rata-rata dan
komponen riak (Gambar-3.16). Komponen rata-rata daya nyata dapat juga ditentukan
dengan
~
1h
hhh3 cosIV3P (3-36)
Karena tegangan sumber yang digunakan ideal maka daya nyata (komponen rata-
rata) disederhanakan menjadi
Watt 66000cos102203
cosIV3P
o
1113
(3-37)
Gambar-3.16. Daya sesaat tiap fasa dan daya nyata sesaat tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif
44
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Daya reaktif sesaat ditentukan dengan persamaan
t700sin308,0t500sin34,0
t100sin310t100cos3220t700cos308,0
t500cos34,0t100cos310t100sin3220
ivivtq
t600sin8,316t600sin8,52t600sin2640tq (3-38)
Persamaan (3-38) menunjukkan bahwa daya reaktif memiliki nilai rata-rata sama
dengan nol (berfluktuasi pada nilai nol) seperti ditunjukkan pada Gambar-3.17.
Gambar-3.17. Daya sesaat tiap fasa dan daya reaktif total tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif
Mengacu pada persamaan (3-20), (3-35) dan (3-38) tampak bahwa komponen arus
terdiri dari komponen fundamental dan komponen harmonisa. Secara vektor,
komponen fundamental memiliki fasa yang sama dengan tegangan sumber dan
komponen ini yang menghasilkan komponen rata-rata daya nyata. Sedangkan
komponen harmonisa dari arus disajikan pada vektor yang tegak lurus dari tegangan
sumber, komponen arus harmonisa ini akan menghasilkan komponen riak daya
sesaat (Gambar-3.18).
Ip
Ih I
real
harmonic
V
Gambar-3.18. Vektor tegangan dan arus pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi tanpa daya reaktif
45
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
3.3.4 Sistem Tiga Fasa dengan Beban Tak Linier yang Mengandung Daya
Reaktif
Selanjutnya kajian dilakukan dengan menggunakan beban tak linier yang
menghasilkan arus terdistorsi dengan kandungan daya reaktif. Beban seperti ini pada
umumnya dijumpai pada penyearah terkendali sudut fasa (Gb-4.19). Untuk
menyederhanakan kajian maka digunakan tegangan sumber tiga fasa ideal dan arus
terdistorsi dibatasi pada nilai harmonisa orde-7. Persamaan yang mendekati arus
untuk beban penyearah terkendali sudut fasa dapat disajikan dengan (Gb-4.20)
4t700sin16,0
4
5t500sin8,0
4
3t300sin4
4t100sin20tia
(3-39a)
12
5t700sin16,0
12
21t500sin8,0
12
9t300sin4
12
11t100sin20tib
(3-39b)
12
35t700sin16,0
12
25t500sin8,0
12
15t300sin4
12
5t100sin20tic
(3-39c)
Nilai rms dari arus di atas dapat ditentukan dengan persamaan
Ampere
43,140128,032,08200
2
16,0
2
8,0
2
4
2
20
IIIII
2222
27
25
23
21
(3-40)
av
bv
cv
ai
bi
ci
n
N
Gambar-3.19. Sistem tiga fasa yang terhubung dengan beban tak linier jenis penyearah terkendali
46
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.20. Tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif
Daya semu dari sistem ditentukan dengan
VA 8,952343,142203
VI3S
(3-41)
Daya sesaat ditentukan dengan melakukan transformasi persamaan (3-20) dan (3-39) ke dalam sumbu- . Tegangan pada koordinat- diambil dari persamaan (3-33)
sedangkan arus pada koordinat- dapat ditentukan dengan memasukkan
persamaan (3-39) ke dalam persamaan di bawah ini
t700sin3
24,0t500sin
3
2,1t100sin
3
30
i2
1i
2
1ii cba
(3-42a)
t700cos3
24,0t500cos
3
2,1t100cos
3
30
i2
31i
2
3i cb
(3-42b)
Daya nyata sesaat ditentukan dengan menggunakan persamaan tegangan dan arus pada koordinat- [persamaan (3-33) dan (3-42)] melalui persamaan
t700cos3
24,0t500cos
3
2,1
t100cos3
30t100cos
3
660t700sin
3
24,0
t500sin3
2,1t100sin
3
30t100sin
3
660
ivivtp
47
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
t600cos3
600
3
600t600cos
3
600
3
600
t100cost100sin3
600
3
600 22
Watt
t600cos2,2116600
t600cos8,52t600cos2646600
(3-43)
Persamaan (3-43) mengandung dua komponen yaitu komponen rata-rata dan
komponen riak (Gambar-3.21). Komponen rata-rata daya nyata dapat juga ditentukan
dengan
Watt 660045cos
2
202203
cosIV3P
o
1113
(3-44)
Daya reaktif sesaat ditentukan dengan persamaan (Gb-4.22)
t700sin2
24,0t500sin
2
2,1
t100sin2
30t100cos
2
660t700cos
2
24,0
t500cos2
2,1t100cos
2
30t100sin
2
660
ivivtq
t600sin8,316t600sin2,79t600sin396tq (3-45)
Gambar-3.21. Daya sesaat tiap fasa dan daya nyata sesaat tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif
Mengacu pada persamaan (3-39), (3-43) dan (3-45) tampak bahwa komponen arus
terdiri dari komponen fundamental dan komponen harmonisa. Secara vektor,
komponen fundamental memiliki fasa yang tergeser terhadap tegangan sumber dan
48
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
komponen ini yang menghasilkan komponen rata-rata daya nyata dan komponen rata-
rata daya reaktif. Sedangkan komponen harmonisa dari arus disajikan pada vektor
yang tegak lurus dari tegangan sumber, komponen arus harmonisa ini akan
menghasilkan komponen riak daya sesaat (Gambar-3.23). Untuk melengkapi kajian
kasuistik maka disajikan beberapa kurva yang membandingkan beberapa parameter
terkait dengan efisiensi pemanfaatan energi listrik seperti tampak pada Gambar-3-24
hingga Gambar-3.26 dan Tabel-3.1.
Gambar-3.22. Daya sesaat tiap fasa dan daya reaktif total tiga fasa pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif
Ip
Ih
Ireal
harmonic
reactive
V
IqL
Gambar-3.23. Vektor tegangan dan arus pada kondisi tegangan ideal dan arus terdistorsi yang mengandung daya reaktif
49
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.24. Perbandingan daya dari beberapa kasus yang dikaji
Gambar-3.25. Perbandingan arus dari beberapa kasus yang dikaji untuk menghasilkan daya nyata 6600 W
Gambar-3.26. Perbandingan faktor daya dari beberapa kasus yang dikaji untuk menghasilkan daya nyata 6600 W
50
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Tabel-3.1 Perbandingan parameter pada kajian kasuistik
Vs (V) I (A) S (VA) P (W) F-PF T-PF
R 220 10 6600 6600 1 1
RL 220 14,14 9333,8 6600 0,71 0,71
DIODE 220 10,21 6738,6 6600 1 0,98
SCR 220 14,43 9523,8 6600 0,71 0,69
Studi kasus yang mencakup pembebanan linier dan tak linier telah dilakukan. Analisis
perhitungan yang mencakup daya nyata, daya reaktif dan daya semu memberikan
kesimpulan sebagai berikut
Pada pembebanan linier (resistif), seluruh daya semu akan diubah menjadi
daya nyata sehingga kondisi ini memberi efisiensi yang sangat baik.
Pada pembebanan linier (induktif), sebagian daya semu akan diubah menjadi
daya nyata. Kondisi ini menyebabkan arus yang mengalir lebih besar karena
sebagian besar arus akan diubah menjadi daya reaktif yang berakibat
menurunnya efisiensi pemanfaatan.
Pada pembebanan tak linier (tanpa kandungan daya reaktif), daya semu akan
diubah menjadi daya nyata dan daya harmonisa yang mengakibatkan
efisiensi pemanfaatan energi listrik berkurang.
Pada pembebanan dengan beban tak linier, daya semu diubah menjadi daya
nyata, daya reaktif dan daya harmonisa. Kondisi ini sangat menurunkan
efisiensi pemanfaatan.
3.4 PROSES DEKOMPOSISI
Teori daya sesaat memiliki keunggulan dibandingkan dengan teori daya konvensional
terutama dalam aplikasi pada sistem yang terdistorsi. Dengan menggunakan teori
daya ini maka nilai sesaat dari besaran tegangan, arus dan daya akan dapat dianalisis
secara lebih detil. Pada uraian berikut akan dilakukan analisis yang dapat mencari
hubungan arus dengan komponen-komponen daya yang dapat dihasilkannya. Analisis
akan dilakukan untuk sistem tiga fasa dengan tiga kawat maupun empat kawat
3.4.1 Dekomposisi pada Sistem Tiga Fasa Tiga Kawat
Pada Gambar-3.27 disajikan suatu sistem tenaga listrik yang dihubungkan ke beban
tak linier tiga fasa denga tiga kawat sehingga pada sumber akan mengalir arus
terdistorsi.
beb
an t
ak l
inie
rti
ga
fasa
tig
a k
awat
Sav
Sbv
Scv
Sai
Sbi
Sci
n
Gambar-3.27. Sistem tiga fasa tiga kawat dengan beban tak linier
51
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Dengan asumsi bahwa tegangan sistem merupakan tegangan ideal (3-6) maka
pemasangan beban tak linier tersebut mengakibatkan terjadinya distorsi arus dan
dinyatakan dengan
~
,...3,2,1m
1m6h
hh11Sa thsinI2tsinI2ti (3-46a)
~
,...3,2,1m
1m6h
h1h
11Sb
3
2thsinI2
3
2tsinI2ti
(3-46b)
~
,...3,2,1m
1m6h
h1h
11Sc
3
2thsinI2
3
2tsinI2ti
(3-46c)
persamaan (3-46) menunjukkan bahwa arus beban tidak mengandung komponen
harmonisa orde kelipatan tiga (triplen harmonics) akibat tidak adanya kawat netral
(Gambar-3.28). Dengan menggunakan transformasi Clarke maka tegangan (3-6) dapat ditransformasikan ke dalam sumbu-
c
b
a
v
v
v
2
3
2
30
2
1
2
11
3
2
v
v
tsinV3tvS (3-47a)
tcosV3tvS (3-47b)
(a) (b)
Gambar-3.28. Gelombang tegangan dan arus untuk sistem tiga fasa tiga kawat dengan beban tak linier
52
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Secara analogi, arus dalam sumbu- dapat ditentukan dengan menggunakan
persamaan (3-46), dinyatakan dengan
Sc
Sb
Sa
S
S
i
i
i
2
3
2
30
2
1
2
11
3
2
i
i
~
,...3,2,1m
1m6h
hh11S thsinI3tsinI3ti (3-48a)
~
,...3,2,1m
1m6h
hh11S thcosI3tcosI3ti (3-48b)
Daya sesaat dapat ditentukan dengan
ivivp (3-49a)
ivivq (3-49b)
Substitusi persamaan (3-47) dan (3-48) ke dalam persamaan daya sesaat (3-49) akan
menghasilkan
~
,...3,2,1m
1m6hhh11
~
,...3,2,1m
1m6hhh11
thcosI3tcosI3tcosV3
thsinI3tsinI3tsinV3p
~
,...3,2,1m
1m6h
h1h11 t1hcosVI3cosVI3 (3-50)
53
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
,...3,2,1m
1m6hhh11
~
,...3,2,1m
1m6hhh11
thsinI3tsinI3tcosV3
thcosI3tcosI3tsinV3q
~
,...3,2,1m
1m6hh1h11 t1hsinVI3sinVI3 (3-51)
Persamaan daya sesaat pada (3-50) dan (3-51) mengandung dua komponen yaitu
komponen rata-rata dan komponen riak
~__
ppp (352a)
dan
~__
qqq (3-52b)
di mana
p = daya nyata sesaat beban akibat tegangan dan arus pada sumbu- 0
__
p = komponen rata-rata dari daya nyata sesaat beban merupakan komponen
yang terkait arus nyata fundamental, daya ini merupakan energi per satuan
waktu yang dikirimkan oleh sumber ke beban (Gambar-3.29)
~
p = komponen riak dari daya nyata sesaat beban merupakan komponen yang
terkait arus nyata harmonisa, daya ini merupakan energi per satuan waktu
yang dikirimkan oleh sumber ke beban dan sebaliknya, nilai rata-rata
komponen daya ini sama dengan nol (Gambar-3.29)
q = daya reaktif sesaat beban akibat tegangan dan arus pada sumbu- 0
__
q = komponen rata-rata dari daya reaktif sesaat beban merupakan komponen
yang terkait arus reaktif fundamental, daya ini merupakan energi per
satuan waktu yang ditransfer antar fasa (Gambar-3.30)
~
q = komponen riak dari daya reaktif sesaat beban merupakan komponen yang
terkait arus reaktif harmonisa, daya ini merupakan energi per satuan waktu
yang ditransfer antar fasa, nilai rata-rata komponen daya ini sama dengan
nol (Gambar-3.30)
54
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.29. Komponen rata-rata dari daya nyata sesaat
Untuk menentukan hubungan antara komponen arus dan komponen daya yang terkait
maka diambil persamaan daya sesaat
S
S
SS
SS
i
i
vv
vv
q
p
invers dari persamaan di atas adalah
q
p
vv
vv1
i
i
SS
SS
SS
S (3-53)
di mana
2S2
SS vv
Gambar-3.30. Komponen rata-rata dari daya reaktif sesaat
Jika komponen arus yang disebabkan oleh daya nyata sesaat dan daya reaktif sesaat
dipisahkan maka
q
0
0
p
vv
vv1
ii
ii
SS
SS
sqSpS
qSpS (3-54)
lebih jauh lagi, jika pemisahan dilakukan berdasarkan komponen rata-rata dan
komponen riak dari daya sesaat maka didapatkan
55
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~__
~__
SS
SS
s
qhSqfSphSpfS
qhSqfSphSpfS
q
0
q
0
0
p
0
pvv
vv1
iiii
iiii
(3-55)
akhirnya akan dihasilkan komponen-komponen arus pada sumbu- dan sumbu-
sebagai berikut
s
S
__
SpfS
pvi
(3-56a)
s
S
__
SpfS
pvi
(3-56b)
s
S
~
SphS
pvi
(3-56c)
s
S
~
SphS
pvi
(4.56d)
s
S
__
SqfS
pvi
(4.56e)
s
S
__
SqfS
pvi
(3-56f)
s
S
~
SqhS
pvi
(3-56g)
s
S
~
SqhS
pvi
(3-56h)
Persamaan (3-56) menunjukkan bahwa setiap arus pada sumbu- dapat diuraikan
menjadi empat komponen arus terkait dengan komponen daya sesaat yang
menyebabkannya. Jika keempat komponen arus ini dibawa ke dalam koordinat-abc
maka didapatkan
S
S
Sc
Sb
Sa
i
i
2
3
2
1
2
3
2
1
01
3
2
i
i
i
Scqh
Sbqh
Saqh
Scqf
Sbqf
Saqf
Scph
Sbph
Saph
Scpf
Sbpf
Sapf
Sc
Sb
Sa
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
(3-57)
56
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Untuk melengkapi uraian di atas maka pada Gambar-3.31 – Gambar-3.33 disajikan
gelombang tegangan suatu sistem tiga fasa tiga kawat beserta arus fasanya yang
ditarik beban tak linier induktif. Dengan menggunakan persamaan dekomposisi arus di
atas, arus fasa tersebut dapat diuraikan menjadi beberapa komponen.
Gambar-3.31. Gelombang tegangan dan arus fasa dari beban tak linier tiga fasa tiga kawat
Gambar-3.32. Gelombang tegangan dan komponen fundamental arus fasa dari beban tak linier tiga fasa tiga kawat
57
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.33. Gelombang tegangan dan komponen harmonisa arus fasa dari beban tak linier tiga fasa tiga kawat
3.4.2 Dekomposisi pada Sistem Tiga Fasa Empat Kawat
Selain sistem tiga fasa tiga kawat, dalam aplikasi juga banyak dijumpai sistem yang
menggunakan kawat netral (sistem tiga fasa dengan empat kawat). Dalam sistem
demikian sangat sering terjadi kondisi tidak seimbang. Suatu beban tak linier yang
terpasang pada sumber akan menyebabkan arus fasa sisi sumber ScSbSa i,i,i
mengandung harmonisa dan muncul arus netral yang cukup signifikan Sni . Untuk
menentukan daya sesaat sumber maka diperlukan besaran tegangan sesaat
ScSbSa v,v,v . Dengan mengasumsikan beban yang terpasang pada sistem tiga fasa
empat kawat adalah tiga buah beban tak linier satu fasa (Gambar-3.34) maka arus
sumber yang mengalir (Gambar-3.35) dapat dinyatakan sebagai berikut
~
1h
hahSa thsinI2i (3-58a)
~
1h
ho
ahSb 120thsinI2i (3-58b)
~
1h
ho
ahSc 120thsinI2i (3-58c)
ScnSbSaSn iiii (3-58d)
Adanya ketidakidealan sistem dan penggunaan beban satu fasa maka
ketidakseimbangan pada tegangan dan arus akan muncul. Agar besaran arus
tersebut dapat disajikan sebagai besaran yang seimbang maka digunakan
transformasi komponen simetris
c
b
a
2
2
0
I
I
I
aa1
aa1
111
3
1
I
I
I
dan
I
I
I
aa1
aa1
111
I
I
I 0
2
2
c
b
a
(3-59)
di mana 3
2j
ea
58
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
beban taklinier
satu fasa
beban taklinier
satu fasa
beban taklinier
satu fasa
Sav
Sbv
Scv
Sai
Sbi
Sci
n
Sni
Gambar-3.34. Sistem tiga fasa empat kawat dengan beban tak linier
maka komponen-komponen harmonisa yang tidak seimbang dapat disajikan sebagai
penjumlahan komponen harmonisa yang seimbang sehingga persamaan arus (3-58)
dapat disajikan dengan persamaan
~
1h
hh
~
1h
hh
~
1h
0h
0hSa
thsinI2
thsinI2thsinI2i
(3-60a)
~
1h
ho
h
~
1hh
oh
~
1h
0h
0hSb
120thsinI2
120thsinI2thsinI2i
(3-60b)
~
1h
ho
h
~
1h
ho
h
~
1h
0h
0hSc
120thsinI2
120thsinI2thsinI2i
(3-60c)
~
1h
0h
0hSn thsinI23i (3-60d)
Selanjutnya transformasi Clarke digunakan untuk mengubah besaran dari sistem
koordinat-abc menjadi besaran dalam koordinat-0 yang saling tegak lurus
Sc
Sb
Sa
0S
S
S
i
i
i
2
1
2
1
2
12
3
2
30
2
1
2
11
3
2
i
i
i
59
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-3.35. Gelombang tegangan dan arus untuk sistem tiga fasa empat kawat dengan beban tak linier
Sehingga diperoleh
~
1h
hh
~
1h
hhS thsinI3thsinI3i (3-61a)
~
1h
hh
~
1h
hhS thcosI3thcosI3i (3-61b)
~
1h
0h
0h0S thsinI6i (3-61c)
Dengan melakukan modifikasi persamaan daya sesaat untuk sistem tiga fasa tiga
kawat maka persamaan daya sesaat untuk sistem tiga fasa empat kawat dapat
ditentukan
S
S
0S
0SS
0SS
SS
SS
0S
0
~
0
__0
~
0
__
~__
~__0
~
0
__
0
0
0
i
i
i
v0v
0vv
vv0
vv0
00v
pp
pp
pp
p
p
q
p
p
(3-62)
Persamaan (3-62) merupakan persamaan daya sesaat yang ditentukan berdasarkan
besaran arus dan tegangan pada koordinat-0. Daya nyata sesaat merupakan hasil
perkalian antara besaran tegangan dan arus pada sumbu-sumbu yang sama (dot
product) sehingga akan dihasilkan suatu skalar. Daya nyata sesaat dibagi menjadi
dua komponen, yaitu
Daya sesaat urutan nol 0Lp yang akan muncul jika terdapat komponen urutan
nol pada tegangan dan arus, dinyatakan dengan
0cosIV3p
~
1h
0h
0h
0h
0h0
__
(3-63a)
60
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
ih
1h
~
1i
0i
0h
0i
0h
~
ih
1h
~
1i
0i
0h
0i
0h
~
1h
0h
0h
0h
0h0
~
tihcosIV3
tihcosIV3
th2cosIV3p
0p0
~
(3-63b)
Daya nyata sesaat Lp yang merupakan produk dari tegangan dan arus
pada sumbu- dan sumbu-, dinyatakan dengan persamaan
11
__
cosVI3p (3-64a)
~
2h
hh
~
2h
hh
11
~
th1cosVI3
th1cosVI3
t2cosVI3p
(3-64b)
Sedangkan daya reaktif sesaat merupakan cross product dari besaran tegangan dan
arus pada sumbu-sumbu dalam koordinat-0 yang tidak sama dan dapat dibedakan
menjadi
Daya reaktif sesaat Lq yang sejajar sumbu-0, daya reaktif sesaat ini terjadi
akibat adanya besaran tegangan dan arus pada sumbu- dan sumbu-,
dinyatakan dengan persamaan
11
__
sinVI3q
(4.65a)
~
2h
hh
~
2h
hh
11
~
th1sinVI3
th1sinVI3
t2sinVI3q
(3-65b)
Daya reaktif sesaat 0Lq yang sejajar sumbu- dan daya reaktif sesaat L 0q
yang sejajar dengan sumbu-, kedua daya reaktif sesaat tersebut muncul
akibat adanya arus urutan nol, dinyatakan dengan persamaan
61
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
01
010
__
cosVI2
3q (3-66a)
~
2h
0h
0h
~
2h
0h
0h
~
1h
0hh
0hh0
~
th1cosVI2
3
th1cosVI2
3
th2cosIV2
3q
(3-66b)
01
010
__
sinVI2
3q (3-66c)
~
2h
0h
0h
~
2h
0h
0h
~
1h
0hh
0hh0
~
th1sinVI2
3
th1sinVI2
3
th2sinIV2
3q
(3-66d)
Persamaan daya sesaat yang ditunjukkan oleh persamaan (3-62) akan sangat rumit
jika dilakukan transformasi invers dalam menentukan nilai referensi arus kompensasi.
Untuk menyederhanakan maka persamaan tersebut dipecah menjadi dua buah
persamaan daya sesaat, yaitu
Persamaan daya sesaat tanpa memasukkan komponen arus urutan nol
S
S
SS
SS
i
i
vv
vv
q
p (3-67a)
Persamaan daya sesaat yang hanya dipengaruhi komponen arus urutan nol
S
S
0S
0SS
0SS
0S
0
0
0
i
i
i
v0v
0vv
00v
q
q
p
(3-67b)
Dengan melakukan modifikasi persamaan (3-57) maka dekomposisi arus pada sistem
tiga fasa empat kawat dapat diturunkan (3-68). Gelombang dari komponen-komponen
arus untuk sistem ini disajikan pada Gambar-3.36 – Gambar-3.38.
0S
S
S
Sc
Sb
Sa
i
i
i
2
1
2
3
2
1
2
1
2
3
2
1
2
101
3
2
i
i
i
62
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
0Sc
0Sb
0Sa
Scqh
Sbqh
Saqh
Scqf
Sbqf
Saqf
Scph
Sbph
Saph
Scpf
Sbpf
Sapf
Sc
Sb
Sa
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
(3-68)
Gambar-3.36. Gelombang tegangan dan komponen fundamental arus fasa dari beban tak linier tiga fasa empat kawat
Gambar-3.37. Komponen arus harmonisa dan urutan nol dari beban tak linier tiga fasa empat kawat
Gambar-3.38. Gelombang tegangan, arus aktif dan komponen tak diinginkan dari beban tak linier tiga fasa empat kawat
63
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Suatu tapis daya aktif untuk sistem tiga fasa harus mampu melakukan kompensasi
komponen daya reaktif dan harmonisa setiap saat melalui injeksi arus/tegangan ke
masing-masing fasa sistem. Penapisan secara aktif dapat tercapai jika suatu tapis
daya aktif mampu berfungsi sebagai sumber arus/tegangan terkendali. Dalam
implementasinya, sumber terkendali ini tidak membutuhkan suatu catu daya karena
kompensasi tidak ditujukan untuk komponen rata-rata daya nyata. Suatu konverter
MLP dengan kapasitor pada sisi tegangan searah (dc-link) akan mampu difungsikan
sebagai sumber terkendali tersebut. Pada uraian berikut dijabarkan beberapa topologi
konverter MLP tiga fasa yang dapat difungsikan sebagai tapis daya aktif untuk sistem
tiga fasa tiga kawat maupun empat kawat.
3.5 KESIMPULAN
Besaran-besaran yang diturunkan dari suatu sistem yang mengandung harmonisa
tidak dapat dianalisis dengan menggunakan teori daya konvensional dikarenakan
dasar yang dipakai adalah nilai RMS. Teori daya sesaat yang menggunakan dasar
nilai sesaat memiliki kelebihan jika digunakan pada sistem yang terdistorsi. Dengan
menggunakan konsep daya ini maka besaran arus, tegangan dan daya dapat
diuraikan sehingga akan memudahkan dalam pemahaman.
3.6 DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim , Harmonic Theory, Jessler & Gsell. Ltd – Power Electronic Energy
Management
2. Grusz, T. M. (1990), A Survey of Neutral Currents in Three-Phase Computer
Power Systems, IEEE Trans. on Industry Applications, vol.26, no.4, 719-725
3. Akagi, H.,Tsukamoto, Y., dan Nabae, A. (1990), Analysis and Design of an Active
Power Filter Using Quad-Series Voltage Source PWM Converters, IEEE Trans. on
Industry Applications, vol.26, no.1, 93-98
4. Akagi, H. (1994), Trends in Active Power Line Conditioner, IEEE Trans. on Power
Electronics, vol.9, no.3, 263-268
5. Akagi, H. dan Fujita, H. (1995), A New Power Line Conditioner for Harmonic
Compensation in Power Systems, IEEE Trans. on Power Delivery , vol.10, no.3,
1570-1575
6. Akagi, H. (1996), New Trends in Active Filter for Power Conditioning, IEEE Trans.
on Industry Applications, vol.32, no.6, 1312-1322
7. Aredes, M. dan Watanabe, E.H. (1995), New Control Algorithms for Series and
Shunt Three-Phase Four-Wire Active Power Filters, IEEE Trans. on Power
Delivery, vol.10, no.3, 1649-1656
8. Aredes, M., Hafner, J., dan Heumann, K. (1997), Three-Phase Four-Wired Shunt
Active Filter Control Strategies, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.12, no.2,
311-318.
9. Aredes, M., Heumann, K., dan Watanabe, E. (1998), An Universal Active Power Line
Conditioner, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.13, no.2, 545-551
10. Depenbrock, M., Staudt, V., dan Wrede, H. (2003), A Theoretical Investigation of
Original and Modified Instantaneous Power Theory Applied to Four-Wire
Systems, IEEE Trans. on Industry Applications, vol.39, no.4, 1160-1167
11. Huang, S.J. dan Wu, J. C. (1999), A Control Algorithm for Three-Phase Three-
Wired Active Power Filter under Nonideal Mains Voltages, IEEE Trans. on Power
Electronics, vol.14, no.4, 753-760.
64
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
12. Verdelho, P. dan Maques, G.D. (1998), Four-Wire Current-Regulated PWM Voltage
Converter, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol.45, no.5, 761-770
13. Watanabe, E.H., Stephan, R.M., dan Aredes, M. (1993), New Concepts of
Instantaneous Active and Ractive Powers in Electrical Systems with Generic
Loads, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.8, no.2, 697-703
65
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
KONVERTER TIGA FASA
BAB 4
Suatu tapis daya aktif untuk sistem tiga fasa harus mampu melakukan kompensasi
komponen daya reaktif dan harmonisa setiap saat melalui injeksi arus/tegangan ke
masing-masing fasa sistem. Penapisan secara aktif dapat tercapai jika suatu tapis
daya aktif mampu berfungsi sebagai sumber arus/tegangan terkendali. Dalam
implementasinya, sumber terkendali ini tidak membutuhkan suatu catu daya karena
kompensasi tidak ditujukan untuk komponen rata-rata daya nyata. Suatu konverter
MLP dengan kapasitor pada sisi tegangan searah (dc-link) akan mampu difungsikan
sebagai sumber terkendali tersebut. Pada uraian berikut dijabarkan beberapa topologi
konverter MLP tiga fasa yang dapat difungsikan sebagai tapis daya aktif untuk sistem
tiga fasa tiga kawat maupun empat kawat.
4.1 KONVERTER MLP TIGA FASA TIGA LENGAN
Suatu konverter jenis sumber tegangan harus memenuhi dua syarat, yaitu saklar yang
terletak pada satu lengan tidak boleh konduksi secara bersamaan sehingga
menimbulkan arus hubung singkat dan arus pada sisi tegangan bolak-balik harus
selalu dijaga kontinuitasnya. Pada Gambar-4.1 disajikan skema konverter MLP
(Modulasi Lebar Pulsa) tiga fasa tiga lengan.
a
b
c
2
dcV
2
dcV
R
N
Scp Sbp Sap
SanSbnScn
o
Cai
Cbi
Cci
Gambar-4.1. Konverter MLP tiga fasa tiga lengan
Untuk menurunkan persamaan tegangan pada tiap lengan maka dipasang tiga buah
impedansi yang identik pada sisi tegangan bolak-balik dengan hubungan bintang (Y)
dan titik netral N. Dari gambar tersebut dapat diturunkan persamaan tegangan
sebagai berikut
00 NaNa vvv (4-1a)
00 NbNb vvv (4-1b)
00 NcNc vvv (4-1c)
66
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dengan menjumlahkan persamaan (4-1a), (4-1b) dan (4-1c) diperoleh
0000 3 NcNbNaNcba vvvvvvv
33
0000
cNbNaNcbaN
vvvvvvv
(4-2)
karena 0000 cba iii maka 0 cNbNaN vvv sehingga persamaan (4-2) akan
menjadi
3
0000
cbaN
vvvv
(4-3)
substitusi (4-3) ke dalam (4-1a) menghasilkan
3
0000
cbaaNa
vvvvv
000
0000
23
1
3
cba
cbaaaN
vvv
vvvvv
(4-4a)
substitusi (4-3) ke dalam (4-1b) dan (4-1c) menghasilkan
3
vvvvv 0c0b0a
bN0b
000
0000
23
1
3
cba
cbabbN
vvv
vvvvv
(4-4b)
dan
3
0000
cbacNc
vvvvv
000
0000
23
1
3
cba
cbaccN
vvv
vvvvv
(4-4c)
jika persamaan (4-4) disajikan dalam bentuk matriks maka didapatkan
0
0
0
211
121
112
3
1
c
b
a
cN
bN
aN
v
v
v
v
v
v
(4-5)
besarnya tegangan 0av , 0bv dan 0cv ditentukan fungsi saklar aS , bS dan cS ,
jika ONSap maka 2
0dc
aV
v dan jika ONSan maka 2
0dc
aV
v
jika ONSbp maka 2
0dc
bV
v dan jika ONSbn maka 2
0dc
bV
v
jika ONScp maka 2
0dc
cV
v dan jika ONScn maka 2
0dc
cV
v
Dengan menggunakan fungsi saklar kS sebagai pengganti posisi saklar elektronik
kjS (di mana k = a, b, c dan j = p,n) yang memenuhi hubungan
1kS jika ONSkp dan 0kS jika ONSkn sehingga
67
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
212
12
12
0
0
0dc
c
b
a
c
b
aV
S
S
S
v
v
v
(4-6)
memasukkan persamaan (4-6) ke dalam (4-5) akan didapatkan
2
1
1
1
211
121
112
3
1
211
121
112
3
1
212
12
12
211
121
112
3
1
dcdc
c
b
a
dc
c
b
a
cN
bN
aN
VV
S
S
S
V
S
S
S
v
v
v
dc
c
b
a
Cc
Cb
Ca
cN
bN
aN
V
S
S
S
v
v
v
v
v
v
211
121
112
3
1
(4-7)
Persamaan (4-7) merupakan persamaan tegangan fasa sesaat pada konverter MLP
tiga fasa tiga lengan, sedangkan persamaan tegangan salurannya dapat ditentukan
sebagai berikut (Tabel-4.1)
dc
ac
cb
ba
Cca
Cbc
Cab
ca
bc
ab
V
SS
SS
SS
v
v
v
v
v
v
(4-8)
Tabel-4.1. Tegangan keluaran pada konverter MLP tiga lengan
Sa Sb Sc VaN VbN VcN Vab Vbc Vca
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 -0,33Vdc -0,33Vdc 0,67Vdc 0 - Vdc Vdc
0 1 0 -0,33Vdc 0,67Vdc -0,33Vdc - Vdc Vdc 0
0 1 1 -0,67Vdc 0,33Vdc 0,33Vdc - Vdc 0 Vdc
1 0 0 0,67Vdc -0,33Vdc -0,33Vdc Vdc 0 - Vdc
1 0 1 0,33Vdc -0,67Vdc 0,33Vdc Vdc - Vdc 0
1 1 0 0,33Vdc 0,33Vdc -0,67Vdc 0 Vdc - Vdc
1 1 1 0 0 0 0 0 0
Dalam aplikasi sebagai tapis daya aktif shunt, suatu konverter MLP tiga fasa tiga
lengan difungsikan sebagai sumber arus terkendali yang akan menginjeksikan arus
kompensasi pada sistem. Untuk memperoleh suatu sumber arus terkendali, maka
diperlukan pengendali arus yang akan membandingkan arus referensi dan arus
aktual, selanjutnya pengendali arus ini akan menghasilkan sinyal untuk
mengendalikan saklar elektronik pada konverter MLP yang akan memaksa arus aktual
mendekati arus referensi.
Pada Gambar-4.2 disajikan suatu konverter MLP tiga fasa tiga lengan yang
difungsikan sebagai sumber arus terkendali. Jika arus yang mengalir pada induktor L
dinyatakan dengan Cai , Cbi dan Cci maka tegangan pada induktor dapat
68
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dinyatakan sebagai selisih tegangan keluaran konverter MLP dengan tegangan
sumber (Gambar-4.3), dinyatakan sebagai berikut
SapSbpScp
SanSbnScn
C
L
L
L
3P3W
No
nli
nea
rL
oad
siCa
iCb
iCc
a
b
c
vSa vSb vSc
Gambar-4.2. Konverter MLP tiga fasa tiga lengan sebagai sumber arus terkendali pada tapis daya aktif shunt
Pada loop_1:
dt
iidL
dt
diLvvvv sbsaCbCa
121 (4-9)
hubungan antara arus loop dan arus induktor dinyatakan sebagai
1iiCa , 2iiCb , 2iiCc
sehingga persamaan (4.36) dapat disederhanakan menjadi
dt
diL
dt
diLvvvv CbCa
sbsaCbCa
dt
iidLvvvv CbCa
sbsaCbCa
(4-10)
L
L
L
Cav
Cbv
Ccv
Cai
Cbi
Cci
Sav
Sbv
Scv
1i
2i
Gambar-4.3. Rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa tiga lengan sebagai sumber arus terkendali
Pada loop_2:
dt
iidL
dt
diL
dt
diL
dt
diL
dt
iidLvvvv
CcCbCcCb
scsbCcCb
212
(4-11)
dengan menjumlahkan (4-10) dan (4-11) serta mengalikan dengan (–1) diperoleh
dt
iidLvvvv CaCc
sascCaCc
(4-12)
karena tidak ada kawat netral dan mengambil asumsi tegangan sumber ideal maka
69
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
0 CcCbCa iii (4-13a)
0 CcCbCa vvv (4-13b)
0 scsbsa vvv (4-13c)
sehingga dengan menggunakan (4-10)-(4-12) akan didapatkan tingkat perubahan
arus keluaran konverter MLP terhadap waktu
L
vv
dt
di saCaCa (4-14a)
L
vv
dt
di sbCbCb (4-14b)
L
vv
dt
di scCcCc (4-14c)
4.2 KONVERTER MLP TIGA FASA DENGAN TITIK TENGAH KAPASITOR
Berbeda dengan aplikasi pada sistem tiga fasa tiga kawat, untuk sistem tiga fasa
dengan kawat netral maka dibutuhkan suatu konverter MLP yang memiliki konduktor
netral. Pada Gambar-4.4 menunjukkan rangkaian daya inverter tiga fasa tiga lengan
(three-leg inverter) dengan titik tengah (midpoint) yang terhubung ke titik netral beban
(titik N). Karena memiliki tiga pasang saklar yang saling komplementer maka juga
akan terdapat 32 kondisi (delapan kondisi saklar) seperti ditunjukkan pada Gambar-
4.1. Terhubungnya titik N ke titik 0 menjadikan masing-masing lengan dapat
diperlakukan secara bebas (independent) seperti konverter setengah jembatan
(Gambar-4.5).
Gambar-4.4 menunjukkan bahwa tegangan knv (dengan k = a,b,c) akan bernilai 2
dcV
jika saklar bagian atas ( kpS ) konduksi dan akan bernilai 2
dcV jika saklar bagian
bawah ( knS ) yang konduksi sehingga dapat dinyatakan dengan
2
12
12
12
100
010
001dc
c
b
a
Cc
Cb
Ca
cN
bN
aNV
S
S
S
v
v
v
v
v
v
(4-15)
a
b
c
2
dcV
2
dcV
R
N
Scp Sbp Sap
SanSbnScn
o
Cai
Cbi
Cci
CNi
70
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.4. Konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik tengah kapasitor
Persamaan (4-15) merupakan persamaan tegangan fasa sesaat pada konverter MLP
tiga fasa tiga lengan, sedangkan persamaan tegangan salurannya dapat ditentukan
sebagai berikut (Tabel-4.2)
dc
ac
cb
ba
ca
bc
ab
V
SS
SS
SS
v
v
v
(4-16)
Pada Gambar-4.5 disajikan suatu konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik
tengah yang difungsikan sebagai sumber arus terkendali dan rangkaian ekivalennya
tampak pada Gambar-4.6. Persamaan arus dan tegangan yang dapat diturunkan
adalah
pada loop_1:
dt
iidL
dt
diLvvvv sbsaCbCa
121 (4-17)
k
2
dcV
2
dcV
Skp
Skn
oCki
k = a,b,c
N
Gambar-4.5. Perlakuan sepasang lengan sebagai konverter setengah jembatan
Tabel-4.2. Tegangan keluaran konverter MLP tiga lengan dengan titik tengah kapasitor
Sa Sb Sc VaN VbN VcN Vab Vbc Vca
0 0 0 -0,5 Vdc -0,5 Vdc -0,5 Vdc 0 0 0
0 0 1 -0,5 Vdc -0,5 Vdc 0,5 Vdc 0 - Vdc Vdc
0 1 0 -0,5 Vdc 0,5 Vdc -0,5 Vdc - Vdc Vdc 0
0 1 1 -0,5 Vdc 0,5 Vdc 0,5 Vdc - Vdc 0 Vdc
1 0 0 0,5 Vdc -0,5 Vdc -0,5 Vdc Vdc 0 - Vdc
1 0 1 0,5 Vdc -0,5 Vdc 0,5 Vdc Vdc - Vdc 0
1 1 0 0,5 Vdc 0,5 Vdc -0,5 Vdc 0 Vdc - Vdc
1 1 1 0,5 Vdc 0,5 Vdc 0,5 Vdc 0 0 0
Hubungan antara arus loop dan arus induktor dinyatakan sebagai
1iiCa , 12 iiiCb , 23 iiiCc
dan 3iiii CcCbCa
71
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
sehingga persamaan (4.44) dapat disederhanakan menjadi
dt
iidL
dt
diL
dt
diLvvvv
CbCa
CbCasbsaCbCa
(4-18)
L
L
L
C
Scp Sbp Sap
Scn Sbn San
a
b
c
Cai
Cbi
Cci
Sav
Sbv
Scv
beban tak liniertiga fasa empat kawat
o
C
Gambar-4.6. Konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik tengah sebagai sumber arus terkendali pada tapis daya aktif shunt
L
L
L
Cav
Cbv
Ccv
Cai
Cbi
Cci
Sav
Sbv
Scv
1i
2i
3i
Gambar-4.7. Rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa tiga lengan dengan titik tengah sebagai sumber arus terkendali
Pada loop_2:
dt
iidL
dt
diL
dt
diL
dt
diL
dt
iidLvvvv
CcCbCcCb
scsbCcCb
212
(4.46)
Pada loop_3:
dt
diL
dt
iidLvv c
scCc
32 (4-19)
dengan menjumlahkan persamaan (4-18) dan (4-19) akan diperoleh
dt
diLvv b
sbCb (4-20)
dan dengan penjumlahan persamaan (4-17) dan (4-20) akan diperoleh
dt
diLvv a
saCa (4-21)
akhirnya dengan menggunakan persamaan (4-19)-(4-21) akan didapat hubungan
72
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dt
diLvvvvvv Cn
scsbsaCcCbCa (4-22)
analisis di atas menunjukkan bahwa persamaa (4-13) pada konverter MLP tiga lengan
berlaku juga untuk konverter MLP jenis ini.
4.3 KONVERTER MLP TIGA FASA EMPAT LENGAN
Implementasi konverter MLP tiga lengan dengan titik tengah sebagai tapis daya aktif
shunt untuk sistem tiga fasa empat kawat membutuhkan tegangan pada kedua
kapasitor yang relatif sama. Kondisi ini dapat tercapai jika ada pengendalian yang
mengatur tegangan pada kedua kapasitor tersebut. Berbeda dengan konverter MLP
tiga lengan, pada Gambar-4.8 disajikan suatu konverter yang menggunakan delapan
buah saklar elektronik, dengan konfigurasi tiga lengan untuk kawat fasa dan satu
lengan untuk kawat netral. Dengan adanya empat lengan maka akan terdapat 42
konfigurasi saklar seperti tampak pada Gambar-4.9 dan besarnya tegangan
sesaatnya disajikan pada Tabel-4.3.
a
b
c
R
N
Scp Sbp Sap
SanSbnScn
N
Sfp
Sfn Ni
dcV
Cai
Cbi
Cci
Gambar-4.8. Konverter MLP tiga fasa empat lengan
Dengan mengacu pada gambar tersebut maka dapat disimpulkan bahwa posisi saklar
pada lengan keempat akan mempengaruhi polaritas tegangan fasa keluaran dari
konverter MLP. Untuk kondisi di mana 0fS maka tegangan fasa keluaran akan
bernilai 0 atau dcV bergantung apakah nilai kS (di mana k = abc) sama dengan nilai
fS atau tidak. Sedangkan jika nilai 1fS maka tegangan fasa keluarannya akan
bernilai 0 atau dcV sehingga persamaan tegangan fasa keluarannya dapat
dinyatakan dengan persamaan
dc
fc
fb
fa
CcN
CbN
CaN
cN
bN
aN
V
SS
SS
SS
v
v
v
v
v
v
(4-23)
di mana 1aS maka OFFSONS anap
0aS maka ONSOFFS anap
1bS maka OFFSONS bnbp
0bS maka ONSOFFS bnbp
1cS maka OFFSONS cncp
73
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
0cS maka ONSOFFS cncp
1fS maka OFFSONS fnfp
0fS maka ONSOFFS fnfp
c
0000
b aN c
0001
b aN c
0010
b aN c
0011
b aN
c
0100
b aN c
0101
b aN c
0110
b aN c
0111
b aN
c
1000
b aN c
1001
b aN c
1010
b aN c
1011
b aN
c
1100
b aN c
1101
b aN c
1110
b aN c
1111
b aN
Gambar-4.9. Konfigurasi saklar pada konverter MLP tiga fasa empat lengan
Dengan menggunakan persamaan (4-23) maka tegangan saluran juga dapat
ditentukan sebagai berikut (Tabel-4.3)
dc
ac
cb
ba
Cca
Cbc
Cab
ca
bc
ab
V
SS
SS
SS
v
v
v
v
v
v
(4-24)
Pada Gambar-4.10 disajikan konverter MLP empat lengan sebagai sumber arus
terkendali dan rangkaian ekivalennya tampak pada Gambar-4.11. Mengacu pada
gambar tersebut maka dapat diturunkan persamaan berikut
Pada loop_1:
dt
iidL
dt
diLvvvv sbsaCbNCaN
121 (4-25)
Hubungan antara arus loop dan arus induktor dinyatakan sebagai
1iiCa , 12 iiiCb , 23 iiiCc dan 3iiCaN
sehingga persamaan (4.53) dapat disederhanakan menjadi
74
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dt
iidL
dt
diL
dt
diLvvvv
CbCa
CbCasbsaCbNCaN
(4-26)
Tabel-4.3. Tegangan pada konverter MLP empat lengan
Sf Sa Sb Sc VaN VbN VcN Vab Vbc Vca
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 Vdc Vdc 0 -Vdc
0 0 1 0 0 Vdc 0 0 -Vdc Vdc
0 0 1 1 0 Vdc Vdc Vdc -Vdc 0
0 1 0 0 Vdc 0 0 Vdc 0 - Vdc
0 1 0 1 Vdc 0 Vdc Vdc - Vdc 0
0 1 1 0 Vdc Vdc 0 0 Vdc - Vdc
0 1 1 1 Vdc Vdc Vdc 0 0 0
1 0 0 0 - Vdc - Vdc - Vdc 0 0 0
1 0 0 1 - Vdc - Vdc 0 0 -Vdc Vdc
1 0 1 0 -Vdc 0 - Vdc -Vdc Vdc 0
1 0 1 1 - Vdc 0 0 -Vdc 0 Vdc
1 1 0 0 0 - Vdc - Vdc Vdc 0 -Vdc
1 1 0 1 0 - Vdc 0 Vdc -Vdc 0
1 1 1 0 0 Vdc - Vdc - Vdc 0 Vdc
1 1 1 1 0 0 0 0 0 0
L
L
LC
Scp Sbp Sap
Scn Sbn San
a
b
c
Cai
Cbi
Cci
Sav
Sbv
Scv
beban tak liniertiga fasa empat kawat
Sfp
Sfn
NCni
N
Gambar-4.10. Konverter MLP tiga fasa empat lengan sebagai sumber arus terkendali
Pada loop_2:
dt
iL
dt
diL
dt
iidL
dt
iidLvvvv
CcCb
2312scsbCcNCbN
75
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dt
iidLvvvv CcCb
scsbCcNCbN
(4-27)
L
L
L
Cai
Cbi
Cci
Sav
Sbv
Scv
1i
2i
N N
3iCNi
CaNv
CbNv
CcNv
Gambar-4.11. Rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa empat lengan sebagai sumber arus terkendali
Pada loop_3:
dt
iL
dt
iidLvv Cc23
scCcN
(4-28)
dengan melakukan substitusi persamaan (4-28) ke dalam (4-27) didapatkan
dt
iLvv Cb
sbCbN (4-29)
dan melakukan substitusi persamaan (4-29) ke dalam (4-26) menghasilkan
dt
iLvv Ca
saCaN (4-30)
dengan adanya konduktor netral maka jumlah arus fasanya akan sama dengan
negatif dari arus yang mengalir pada kawat netral, dinyatakan dengan
CcCbCaCN iiii (4-31)
Persamaan (4-28)-(4-31) menunjukkan bahwa suatu konverter MLP tiga fasa empat
lengan yang digunakan sebagai sumber arus terkendali pada tapis daya aktif shunt
dapat dianggap seperti rangkaian satu fasa (Gambar-4.12)
LSkv
Cki
CN Ck
k a ,b,c
i i
N NCkNv
CkCkN Sk
diL v v
dt
Gambar-4.12. Penyederhanaan rangkaian ekivalen konverter MLP tiga fasa empat lengan sebagai sumber arus terkendali
76
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
4.4 KONVERTER MLP SEBAGAI SUMBER ARUS TERKENDALI
Suatu konverter MLP yang diimplementasikan sebagai suatu tapis daya aktif shunt
harus mempu bekerja sebagai sumber arus terkendali. Untuk merealisasikan fungsi ini
dibutuhkan suatu kendali loop tertutup di mana diperlukan suatu kontroler untuk
membandingkan nilai aktual dengan referensi (set-point). Dengan mengacu pada
uraian konverter MLP tiga fasa pada bab sebelumnya maka dengan mengatur nilai
tegangan keluarannya, arus keluaran akan dapat dikendalikan sesuai keinginan. Nilai
rata-rata lokal dari tegangan keluaran suatu konverter MLP dapat diatur melalui lebar
pulsa rangkaian kendali yang akan menyebabkan durasi saklar statis konduksi/tak
konduksi (ON-OFF).
Pada Gambar-5.3 disajikan skema dasar pengendalian konverter MLP sebagai
sumber arus terkendali. Arus keluaran konverter akan dideteksi dengan menggunakan
sensor arus dan selanjutnya dibandingkan dengan nilai referensi arus guna
menghasilkan suatu sinyal error. Kemudian sinyal error akan dimasukkan ke kontroler,
suatu kontroler akan selalu memaksa sinyal error sama dengan nol yang
menyebabkan arus aktual sama dengan nilai referensi. Pada saat arus aktual lebih
kecil dari nilai referensinya maka kontroler akan memberikan sinyal ke rangkaian
driver agar menaikkan nilai rata-rata lokal dari tegangan keluaran konverter MLP.
Sedangkan jika arus aktual lebih besar dari nilai referensinya maka kontroler akan
memberikan sinyal ke rangkaian driver agar menurunkan nilai rata-rata lokal dari
tegangan keluaran konverter MLP.
kontrolerdriver
sumberDC
induktor
sensorarus
Ci t
Cki_C refi
error
Gambar-4.13. Kontroler untuk memperkecil nilai error
Kontroler yang digunakan adalah jenis hysteresis di mana kontroler ini memiliki
kesederhanaan dalam implementasi. Di sisi lain, kontroler hysteresis memiliki
kekurangan karena dapat menyebabkan proses pensaklaran dengan frekuensi yang
berubah. Kondisi ini dapat menyebabkan saklar bekerja pada frekuensi yang sangat
tinggi (sangat beresiko jika saklar bekerja pada frekuensi yang mendekati
kemampuannya maksimalnya). Untuk mengatasi kondisi ini maka dalam
perancangan, kontroler hysteresis harus dilengkapi dengan rangkaian pembatas
frekuensi.
Pada topologi konverter MLP, setiap lengan terdiri dari sepasang saklar statis (dua
buah) yang terpasang pada bagian atas dan bawah. Jika suatu MOSFET
diimplementasikan sebagai saklar statis maka untuk mengoperasikannya diperlukan
sinyal pada terminal Gate (G) dan Source (S). Jika nilai sinyal pada terminal G-S
positif maka saklar statis akan konduksi (ON) sedangkan jika tegangan terminal G-S
sama dengan nol maka saklar statis akan OFF. Karena terminal S dari kedua
77
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
MOSFET terletak pada titik berbeda maka dibutuhkan dua buah sumber tegangan
(catu daya).
Dalam rangkaian konverter MLP yang difungsikan sebagai sumber arus terkendali
maka akan terdapat rangkaian daya dan rangkaian kontrol. Kedua rangkaian memiliki
titik referensi (ground) yang berbeda sehingga secara galvanik harus dipisahkan.
Kondisi ini dapat dicapai dengan pemasangan kopling (optocoupler) pada rangkaian
driver. Pada Gambar-4.16 disajikan skema rangkaian driver untuk mengoperasikan
saklar-saklar dalam satu lengan.
rangkaiandriver
kesaklarstatis
+-
referensi
aktual
pembatasfrekuensi
clock
KONTROLER
Gambar-4.14. Kontroler hysteresis dengan pembatas frekuensi
saklaratas
saklarbawah
+
-
G
G
S
S
Gambar-4.15. Terminal G-S pada saklar-saklar dalam satu lengan
pembalikpengaturdead-time
pengaturdead-time
optocoupler
optocoupler
catu daya
catu daya
saklaratas
saklarbawah
sinyalkontrol
Gambar-4.16. Skema rangkaian driver
78
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
4.5 SIMULASI
Mengacu pada analisis yang telah dijabarkan maka tahap penelitain dilanjutkan
dengan simulasi komputer. Dalam melakukan simulasi digunakan perangkat lunak
PSIM. Topologi konverter MLP tiga fasa tiga kawat dan empat kawat akan dipakai
sebagai sumber arus terkendali untuk melakukan tracking pada referensi. Beberapa
bentuk gelombang akan dipakai sebagai referensi guna mengetahui sejauh mana
konverter MLP dapat melakukan proses tracking.
Pada Gambar-4.17 ditunjukkan rangkaian daya konverter MLP beserta rangkaian
kendali yang akan membuat konverter MLP mampu melakukan tracking terhadap
referensinya. Pada gambar tersebut tampak bahwa mula-mula arus keluaran
konverter akan dibandingkan dengan nilai referensinya untuk menghasilkan error.
Selanjutnya kontroler hysteresis akan memaksa nilai error selalu sama dengan nol
sehingga arus keluaran konverter MLP sama dengan nilai referensi. Rangkaian driver
akan memberikan sinyal kepada terminal Gate dari MOSFET yang dipakai sebagai
saklar statis untuk ON-OFF sehingga tegangan keluaran konverter MLP sesuai nilai
yang diinginkan. Adanya induktor L pada sisi keluaran akan membentuk arus keluaran
naik atau turun di sekitar nilai referensi.
Untuk mengetahui kemampuan konverter MLP dalam fungsinya sebagai sumber arus
terkendali maka beberapa bentuk gelombang akan dipakai sebagai referensi, yaitu
Gelombang sinusoidal
Gelombang persegi
Gelombang harmonisa
Dalam melakukan simulasi digunakan nilai parameter-parameter rangkaian seperti
disajikan pada Tabel-4.4 di bawah ini
Tabel-4.4. Parameter rangkaian untuk simulasi
parameter nilai
Tegangan sumber 150 Volt
Induktor keluaran 5 mH
Resistor keluaran 10 Ohm
Batas frekuensi maksimal 20 kHz
Pada Gambar-4.18 hingga Gambar-4.20 disajikan hasil simulasi konverter MLP tiga
fasa tiga kawat yang difungsikan sebagai sumber arus terkendali untuk membentuk
gelombang sinusoidal. Gambar-4.18 merupakan gelombang sinusoidal yang dipakai
sebagai referensi sedangkan Gambar-4.19 adalah arus keluaran konverter MLP yang
mirip dengan referensi. Karena proses pensaklaran yang dilakukan oleh MOSFET
maka bentuk arus keluaran merupakan gelombang arus yang berfluktuasi pada nilai
referensi sinusoidal (Gambar-4.20). Hasil simulasi dengan menggunakan referensi
berupa gelombang persegi ditunjukkan pada Gambar-4.21 hingga Gambar-4.23.
Gelombang referensi merupakan gelombang persegi untuk sistem tiga fasa tanpa
kawat netral (jumlah arus ketiga fasanya sama dengan nol). Pada kondisi ini proses
tracking arus keluaran tidak dapat vertikal sehingga pada saat nilai referensi
merupakan fungsi step maka proses tracking tidak dapat optimal. Gelombang
referensi lain yang dipakai adalah gelombang harmonisa yang merupakan selisih
79
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
antara gelombang persegi dan sinusoidal. Hasil simulasi dengan menggunakan
gelombang harmonisa disajikan pada Gambar-4.24 hingga Gambar-4.26.
SapSbpScp
SanSbnScn
E
L
L
L
a
b
c
R
R
R
rangkaian driver
SaSbSc
pembatasfrekuensi
-+
-+
-+
KontrolerHysteresis
ai
bi
ci
_a refi
_b refi
_c refi
Gambar-4.17. Konverter MLP tiga fasa tiga kawat untuk simulasi
Gambar-4.18. Hasil simulasi referensi gelombang sinusoidal untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
80
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.19. Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.20. Hasil simulasi proses tracking arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat pada referensi gelombang sinusoidal
Gambar-4.21. Hasil simulasi referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
81
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.22. Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.23. Hasil simulasi proses tracking arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat pada referensi gelombang persegi
Gambar-4.24. Hasil simulasi referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
82
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.25. Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.26. Hasil simulasi proses tracking arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat pada referensi gelombang harmonisa
Untuk aplikasi pada sistem tiga fasa dengan kawat netral (empat kawat) maka
digunakan konverter MLP dengan mid-point capacitor. Pada konfigurasi ini maka arus
netral dikembalikan pada titik yang terletak pada dua kapasitor yang dipasang paralel
dengan sumber tegangan searah.
83
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
SapSbpScp
SanSbnScn
E
L
L
L
a
b
c
R
R
R
rangkaian driver
SaSbSc
pembatasfrekuensi
-+
-+
-+
KontrolerHysteresis
ai
bi
ci
_a refi
_b refi
_c refi
ni
Gambar-4.27. Konverter MLP tiga fasa empat kawat untuk simulasi
Hasil simulasi untuk sistem tiga fasa empat kawat yang menggunakan referensi
berupa gelombang sinusoidal ditunjukkan pada Gambar-4.28 dan Gambar-4.29. Pada
simulasi dengan menggunakan referensi gelombang persegi dan gelombang
harmonisa maka pada kawat netral akan muncul arus. Hasil simulasi untuk referensi
berupa gelombang persegi disajikan pada Gambar-4.30 dan Gambar-4.31 sedangkan
untuk referensi berupa gelombang harmonisa ditunjukkan pada Gambar-4.32 dan
Gambar-4.33. Referensi berupa gelombang persegi dan harmonisa akan menghadapi
kendala saat arus keluaran harus naik secara vertikal.
Gambar-4.28. Hasil simulasi referensi gelombang sinusoidal untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
84
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.29. Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a dan netral (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.30. Hasil simulasi referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.31. Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a dan netral (b) fasa b (c) fasa c (d) netral
85
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.32. Hasil simulasi referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c
Gambar-4.33. Hasil simulasi arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa-a dan netral (b) fasa b (c) fasa c (d) netral
4.6 PERANCANGAN PROTOTIP DAN PENGUJIAN LABORATORIUM
Setelah selesai melakukan tahap simulasi maka dilakukan perancangan alat (prototip)
skala laboratorium. MOSFET IRFP 460 diimplementasikan sebagai saklar statis yang
mampu bekerja pada frekuensi cukup tinggi. Dalam pengujian ini, frekuensi
pensaklaran MOSFET dibatasi pada frekuensi 20 kHz. Untuk menghidupkan saklar ini
maka diperlukan tegangan sebesar 15 Volt pada terminal Gate-Source. Tegangan ini
selanjutnya akan diberikan melalui rangkaian driver yang dilengkapi dengan
optocoupler TLP 250 untuk memberikan isolasi antara rangkaian kendali dan
rangkaian daya konverter MLP (Gambar-4.34).
Untuk merealisasikan rangakian kendali maka digunakan IC LF 347 sebagai OP-AMP
yang dipakai pada error amplifier dan kontroler hysteresis bersama IC SR FLIP-FLOP.
Sedangkan untuk membatasi frekuensi pensaklaran MOSFET digunakan IC JK FLIP-
FLOP. Frekuensi clock pada IC ini digunakan sebagai batas maksimal frekuensi
pensaklaran MOSFET. Untuk memperoleh arus keluaran dari konverter MLP
digunakan current transducer LEM LA 50-P sebagai sensor arus (Gambar-4.36).
86
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
41 2
5
37
74HC4538
S__
Q__
QS
5k100 pF
HCC4081 IRF
73
0
TLP250
50
1k5
50
18V
+12V+15V
top
ow
er MO
SF
ET
Gambar-4.34. Rangkaian driver untuk MOSFET IRFP 460
Setelah prototip dirancang maka langkah selanjutnya adalah melakukan pengujian
laboratorium. Dalam melakukan pengujian dipakai beberapa peralatan yang
mencakup :
Osciloscope Tektronik
Multimeter digital Fluke
Catu daya tegangan searah variabel
Gambar-4.35. Implementasi rangkaian kontroler hysteresis beserta pembatas frekuensi
Gambar-4.36. Rangkaian pendeteksi arus keluaran konverter MLP
87
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Pada Gambar-4.37 hingga Gambar-4.41 ditampilkan gambar-gambar prototip hasil
perancangan. Rangkaian driver dan catu daya rangkaian driver yang berada pada
PCB terpisah ditampilkan pada Gambar-4.37. Pada Gambar-4.38 ditunjukkan saklar
MOSFET yang diletakkan pada heat-sink dilengkapi dengan rangkaian snubber, sisi
rangkaian daya ini terhubung dengan beban yang terdiri dari resistor dan induktor.
Rangkaian kendali untuk memfungsikan konverter MLP sebagai sumber arus
terkendali ditunjukkan pada Gambar-4.39. Pelaksanaan pengujian dilakukan di dalam
laboratorium karena ketersediaan alat ukur dan prasarana lainnya (Gambar-4.40 dan
Gambar-4.41).
Gambar-4.37. Foto rangkaian driver dan catu daya driver
Gambar-4.38. Foto rangkaian daya konverter MLP dan beban resistor induktor (induktif)
Gambar-4.39. Foto kontroler hysteresis dan pembatas frekuensi
88
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.40. Foto osciloscope untuk pengamatan gelombang sesaat
Gambar-4.41. Foto aktivitas pengujian prototipe di laboratorium
Pengujian laboratorium untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat disajikan pada
Gambar-4.42 hingga Gambar-4.47 yang meliputi pemakaian gelombang sinusoidal,
persegi dan harmonisa sebagai referensi. Dari hasil pengamatan tampak bahwa arus
keluaran konverter MLP mampu membentuk gelombang keluaran sesuai referensi
yang diberikan. Sedangkan pengujian laboratorium untuk konverter MLP tiga fasa
empat kawat disajikan pada Gambar-4.48 hingga Gambar-4.52. Pada sistem empat
kawat maka untuk pengujian dengan referensi berupa gelombang persegi dan
harmonisa akan menyebabkan munculnya arus pada kawat netral.
Gambar-4.42. Hasil pengujian referensi gelombang sinusoidal untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
89
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.43. Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
Gambar-4.44. Hasil pengujian referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
Gambar-4.45. Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
90
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.46. Hasil pengujian referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa tiga kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
Gambar-4.47. Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa tiga kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
Gambar-4.48. Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang sinusoidal (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c (d) netral [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
91
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.49. Hasil pengujian referensi gelombang persegi untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
Gambar-4.50. Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang persegi (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c (d) netral [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
Gambar-4.51. Hasil pengujian referensi gelombang harmonisa untuk konverter MLP tiga fasa empat kawat (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
92
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-4.52. Hasil pengujian arus keluaran konverter MLP tiga fasa empat kawat dengan referensi gelombang harmonisa (a) fasa a (b) fasa b (c) fasa c (d) netral [skala: 5 A/div – 5 ms/div]
4.7 KESIMPULAN
Untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC diperlukan suatu inverter.
Dengan kendali berbasis modulasi lebar pulsa maka inverter akan mampu melakukan
fungsi yang lebih kompleks. Inverter tiga fasa dapat dibedakan menjadi tiga fasa tiga
kawat dan tiga fasa empat kawat. Suatu inverter MLP dapat difungsikan sebagai
suatu sumber arus terkendali, inverter ini mampu menghasilkan arus keluaran sesuai
dengan nilai referensinya.
4.8 DAFTAR PUSTAKA
1. Akagi, H.,Tsukamoto, Y., dan Nabae, A. (1990), Analysis and Design of an Active
Power Filter Using Quad-Series Voltage Source PWM Converters, IEEE Trans. on
Industry Applications, vol.26, no.1, 93-98
2. Akagi, H. (1996), New Trends in Active Filter for Power Conditioning, IEEE Trans.
on Industry Applications, vol.32, no.6, 1312-1322
3. Aredes, M., Hafner, J., dan Heumann, K. (1997), Three-Phase Four-Wired Shunt
Active Filter Control Strategies, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.12, no.2,
311-318
4. Bhattacharya, S., Cheng, P., dan Divan, D. (1997), Hybrid Solution for Improving
Passive Filter Performance in High-Power Application, IEEE Trans. on Industry
Applications, vol.33, no.3, 567-577
5. Chen, C.C. dan Hsu, Y.Y. (2000), A Novel Approach to the Design of a Shunt
Active Filter for an Unbalanced Three-Phase Four-Wire System under
Nonsinusoidal Conditions, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.15, no.4, 1258-1264
6. Cheng, P., Bhattacharya, S., dan Divan, D.M. (1998), Control of Square-Wave
Inverters in High Power Hybrid Active Filter Systems, IEEE Trans. on Industry
Applications, vol.34, no.3, 458-472
7. Peng, F.Z., Akagi, H., dan Nabae, A. (1990), A Study of Active Power Filters Using
Quad-Series Voltage Source PWM Converters for Harmonic Compensation, IEEE
Trans. on Power Electronics, vol.5, no.1, 9-15
8. Peng, F.Z., McKeever, J.W., dan Adams, D.J. (1998), A Power Line Conditioner
Using Cascade Multilevel Inverters for Distribution Systems, IEEE Trans. on
Industry Applications, vol.34, no.6, 1293-1298
93
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
9. Torrey, D.A. dan Al-Zamel, M.A. (1995), Single-Phase Active Power Filters for
Multiple Nonlinear Loads, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.10, no.3, 263-272
10. Verdelho, P. dan Maques, G.D. (1998), Four-Wire Current-Regulated PWM Voltage
Converter, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol.45, no.5, 761-770
94
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
95
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
TAPIS DAYA AKTIF SHUNT
SISTEM TIGA FASA
BAB 5
Suatu konverter MLP yang difungsikan sebagai sumber arus terkendali pada tapis
daya aktif shunt akan menginjeksikan arus kompensasi ke dalam sistem untuk
melakukan penapisan secara aktif. Arus kompensasi ditentukan oleh referensi yang
diturunkan berdasarkan komponen daya sesaat. Dengan menguraikan daya sesaat
menjadi komponen-komponen tertentu maka berbagai kompensasi akan dapat
dilakukan. Pada sistem tiga fasa tanpa kawat netral, dengan menggunakan tiga buah
sumber arus terkendali maka kompensasi dapat dilakukan. Sedangkan untuk sistem
tiga fasa dengan kawat netral, dibutuhkan sumber arus terkendali yang terhubung ke
konduktor netral sistem untuk melakukan kompensasi arus urutan nol. Pada bab ini
diuraikan berbagai kompensasi yang dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt baik
untuk sistem tiga fasa tiga kawat maupun empat kawat.
5.1 KOMPENSASI BEBAN TAK LINIER PADA SISTEM TIGA FASA TIGA KAWAT
Pada Gambar-5.1 disajikan suatu beban tak linier tiga fasa tiga kawat terhubung
paralel dengan tapis daya aktif shunt tiga fasa tiga kawat yang direpresentasikan
dengan tiga buah sumber arus terkendali. Dengan asumsi bahwa tegangan sistem
merupakan tegangan ideal maka pemasangan beban tak linier tersebut
mengakibatkan terjadinya distorsi arus (Gambar-5.2) dan dinyatakan dengan
~
...3,2,1m
1m6h
hLh11LLa thsinI2tsinI2i (5-1a)
~
...3,2,1m
1m6hh
oLh
1o
1LLb
120thsinI2
120tsinI2i
(5-1b)
~
...3,2,1m
1m6hh
oLh
1o
1LLc
120thsinI2
120tsinI2i
(5-1c)
Persamaan (5-1) menunjukkan bahwa arus beban tidak mengandung komponen
harmonisa orde kelipatan tiga (triplen harmonics) akibat tidak adanya kawat netral.
96
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Sai
Sbi
Sci
teg
ang
ansu
mb
er
beb
an t
ak l
inie
rti
ga
fasa
tig
a k
awat
Lai
Lbi
Lci
CaiCbiCci
sumber arus terkendali
Gambar-5.1. Kompensasi arus tak linier pada sistem tiga fasa tiga kawat
(a) (b)
Gambar-5.2. Distorsi yang ditimbulkan beban tak linier (penyearah thyristor berbeban induktif) (a) tegangan fasa dan arus fasa (b) spektrum arus fasa
Dengan menggunakan transformasi Clarke, persamaan (5-1) dapat ditransformasikan
ke dalam koordinat- dan disajikan dengan persamaan berikut
~
...3,2,1m
1m6hhLh11LL thsinI3tsinI3i (5-2a)
~
...3,2,1m
1m6hhLh11LL thcosI3tcosI3i (5-2b)
Jika tegangan sumber ideal yang digunakan adalah
tsinV2vSa (5-3a)
oSb 120tsinV2v (5-3b)
oSc 120tsinV2v (5-3c)
Transformasi persamaan (5-3) ke dalam koordinat-β menghasilkan
tsinV3vS (5-4a)
97
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
tcosV3vS (5-4b)
Dengan melakukan substitusi persamaan (5-2) dan (5-4) ke dalam persamaan daya
sesaat maka daya sesaat beban dapat ditentukan
~
,...3,2,1m
1m6hhLh11L
~
,...3,2,1m
1m6hhLh11LL
thcosI3tcosI3tcosV3
thsinI3tsinI3tsinV3p
~
,...3,2,1m
1m6hh1Lh11L t1hcosVI3cosVI3 (5-5)
~
,...3,2,1m
1m6hhLh11L
~
,...3,2,1m
1m6hhLh11LL
thsinI3tsinI3tcosV3
thcosI3tcosI3tsinV3q
~
,...3,2,1m
1m6hh1Lh11L t1hsinVI3sinVI3 (5-6)
Melalui invers persamaan daya sesaat berikut
*
*
SS
SS
sC
C
q
p
vv
vv1
i
i
(5-7)
maka referensi arus kompensasi dapat ditentukan. Dengan menggunakan tapis,
komponen-komponen yang terkandung dalam besaran daya sesaat akan dapat
dipisahkan sehingga berbagai kompensasi dapat dilakukan
5.1.1 Kompensasi Daya Reaktif Fundamental
Kompensasi daya reaktif fundamental dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt jika
nilai komponen
98
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
L
__*
*
q
0
q
p (5-8)
Pada kompensasi jenis ini hanya diinjeksikan komponen fundamental dari daya reaktif
sebesar
11L
__* sinVI3qq (5-9)
Implementasi dari daya reaktif fundamental yang diinjeksikan berupa arus berbentuk
gelombang sinusoidal dengan frekuensi sama dengan sumber tetapi tergeser 90o
terhadap tegangan fasa dan dinyatakan dengan persamaan
o11
*Ca 90tsinsinI2i (5-10a)
oo11
*Cb 90120tsinsinI2i (5-10b)
oo11
*Cc 90120tsinsinI2i (5-10c)
Karena hanya daya reaktif fundamental yang dibangkitkan maka dapat dikatakan
bahwa tapis daya aktif shunt berfungsi sebagai Fundamental Reactive Power
Compensator sehingga arus sumber masih tetap mengandung komponen harmonisa
baik harmonisa yang disebabkan oleh komponen riak dari daya nyata maupun daya
reaktif (Gambar-5.3 dan Gambar-5.4) dan disajikan dengan persamaan
~
,...3,2,1m
1m6hhh
11Sa
thsinI2
tsincosI2i
(5-11a)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oh
o11Sb
120thsinI2
120tsincosI2i
(5-11b)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oh
o11Sc
120thsinI2
120tsincosI2i
(5-11c)
Arus kompensasi yang disajikan melalui trayektori arus pada Gambar-5.5 merupakan
suatu lingkaran pada bidang-αβ, hal ini menunjukkan arus kompensasi memiliki
bentuk sinusoidal tiga fasa pada koordinat-abc.
99
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.3. Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya reaktif fundamental untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Gambar-5.4. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif fundamental untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Gambar-5.5. Trayektori arus pada kompensasi daya reaktif fundamental untuk sistem tiga fasa tiga kawat
100
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
5.1.2 Kompensasi Daya Reaktif
Kompensasi jenis ini dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt jika nilai komponen
L*
*
q
0
q
p (5-12)
sehingga dibangkitkan daya reaktif sebesar
~
,...3,2,1m
1m6hh1h11
* t1hsinVI3sinVI3q (5-13)
Semua daya reaktif baik yang memiliki frekuensi fundamental maupun harmonisa
akan dieliminasi. Arus kompensasi yang diinjeksikan mengandung komponen
harmonisa dan komponen fundamental (Gambar-5.6 dan Gambar-5.7). Persamaan
arus kompensasinya dinyatakan
~
,...3,2,1m
1m6h
ohh
o11
*Ca
90thsinsinI2
90tsinsinI2i
(5-14a)
~
,...3,2,1m
1m6h
oohh
oo11
*Cb
90120thsinsinI2
90120tsinsinI2i
(5-14b)
~
,...3,2,1m
1m6h
oohh
oo11
*Cc
90120thsinsinI2
90120tsinsinI2i
(5-14c)
Setelah kompensasi, arus sumber masih memiliki kandungan harmonisa akibat
komponen riak dari daya nyata sesaat. Kandungan harmonisa arus sumber pada
kompensasi jenis ini lebih kecil dari kompensasi daya reaktif fundamental, disajikan
dengan persamaan (5-15) dan trajektori arus ditunjukkan pada Gambar-5.8.
~
,...3,2,1m
1m6hhh
11Sa
thsincosI2
tsincosI2i
(5-15a)
~
,...3,2,1m
1m6h
ohh
o11Sb
120thsincosI2
120tsincosI2i
(5-15b)
101
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
,...3,2,1m
1m6h
ohh
o11Sc
120thsincosI2
120tsincosI2i
(5-15c)
Gambar-5.6. Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya reaktif untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Gambar-5.7. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Gambar-5.8. Trayektori arus pada kompensasi daya reaktif untuk sistem tiga fasa tiga kawat
102
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
I
5.1.3 Kompensasi Daya Harmonisa
Kompensasi daya harmonisa dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt jika nilai
komponen
L
~L
~
*
*
q
p
q
p (5-16)
sehingga
~
,...3,2,1m
1m6hh1h
* t1hcosVI3p (5-17a)
~
,...3,2,1m
1m6hh1h
* t1hsinVI3q (5-17b)
Pada kompensasi jenis ini, arus yang diinjeksikan merupakan kompenen harmonisa
baik terkait daya nyata maupun daya reaktif dan dinyatakan
~
,...3,2,1m
1m6hhh
*Ca thsinI2i (5-18a)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oh
*Cb 120thsinI2i (5-18b)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oh
*Cc 120thsinI2i (5-18c)
Fungsi demikian sering dinamakan Harmonic Compensator. Akibatnya arus sumber
tidak lagi mengandung komponen harmonisa tetapi hanya komponen fundamental
yang muncul (Gambar-5.9 dan Gambar-5.10) dan dinyatakan dengan
o11
11
11Sa
90tsinsinI2
tsincosI2
tsinI2i
(5-19a)
oo11
o11
1o
1Sb
90120tsinsinI2
120tsincosI2
120tsinI2i
(5-19b)
oo11
o11
1o
1Sc
90120tsinsinI2
120tsincosI2
120tsinI2i
(5-19c)
103
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.9. Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Gambar-5.10. Spektrum arus pada kompensasi daya harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Trayektori arus sumber pada koordinat-αβ0 akan memiliki bentuk lingkaran yang
menunjukkan gelombang sinusoidal saling tergeser 120o (Gambar-5.11).
Gambar-5.11. Trayektori arus pada kompensasi daya harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat
104
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
5.1.4 Kompensasi Daya Reaktif dan Harmonisa
Kompensasi ini dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt jika nilai komponen
L
L
~
*
*
q
p
q
p (5-20)
sehingga
~
,...3,2,1m
1m6hh1h
* t1hcosVI3p (5-21a)
~
,...3,2,1m
1m6hh1h11
* t1hsinVI3sinVI3q (5-21b)
Arus kompensasi yang diinjeksikan pada kompensasi jenis ini sebesar
~
,...3,2,1m
1m6hhh
o11
*Ca
thsinI2
90tsinsinI2i
(5-22a)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oh
oo11
*Cb
120thsinI2
90120tsinsinI2i
(5-22b)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oh
oo11
*Cc
120thsinI2
90120tsinsinI2i
(5-22c)
Pada kondisi ini, tapis daya aktif shunt akan berusaha membuat arus sumber selalu
sinusoidal dan sefasa dengan tegangan sumber karena semua komponen harmonisa
dan daya reaktif fundamental dikompensasi (Gambar-5.12). Spektrum arus pada
Gambar-5.13 menunjukkan bahwa amplituda komponen harmonisa arus kompensasi
sama dengan amplituda komponen harmonisa arus beban, sedangkan amplituda
komponen fundamental arus kompensasi lebih kecil dari amplituda komponen
fundamental arus beban. Jumlah kuadrat dari amplituda komponen fundamental arus
sumber dan arus kompensasi merupakan kuadrat amplituda komponen fundamental
arus beban. Besarnya arus sumber setelah kompensasi dinyatakan dengan
persamaan
tsincosI2i 11Sa (5-23a)
o11Sb
120tsincosI2i (5-23b)
o11Sc
120tsincosI2i (5-23c)
105
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.12. Gelombang tegangan dan arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat
Trayektori arus sumber memiliki bentuk lingkaran di dalam arus beban, berbeda
dengan kompensasi harmonisa karena pada kompensasi ini arus sumber hanya
mengandung komponen arus aktif fundamental (Gambar-5.14). Pada Gambar-5.15
disajikan aliran daya pada sistem tiga fasa tanpa kawat netral yang mencatu beban
tak linier. Pada sisi beban akan terlihat adanya penyerapan komponen rata-rata
maupun riak dari daya nyata dan daya reaktif. Dengan pemasangan tapis daya aktif
shunt ideal, diharapkan sumber hanya akan memberikan komponen rata-rata dari
daya nyata, sehingga tapis daya aktif shunt harus menginjeksikan komponan riak dari
daya nyata dan daya reaktif (baik komponen rata-rata maupun komponen riak).
Gambar-5.13. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat
106
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.14. Trayektori arus arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa untuk sistem tiga fasa tiga kawat
tegangansumber
beb
an
tak
lin
ier
tig
a f
asa
tig
a k
aw
at
TDAshunt
__
p
__
p
~
p
~
p
q
Gambar-5.15. Diagram aliran daya penapisan aktif pada sistem tiga fasa tiga kawat
5.2 KOMPENSASI BEBAN TAK LINIER PADA SISTEM TIGA FASA EMPAT KAWAT
Untuk memperbaiki kualitas daya sistem yang menurun akibat pemakaian beban tak
linier, tapis daya aktif shunt dikembangkan baik untuk sistem tiga fasa tiga kawat
maupun empat kawat. Jika suatu beban tak linier tiga fasa empat kawat terpasang
pada sistem dengan tegangan sumber ideal maka beban tersebut akan menarik arus
fasa yang mengandung harmonisa yang berdampak pada mengalirnya arus pada
kawat netral. Secara matematis arus yang mengalir pada kawat fasanya dapat
dinyatakan dengan persamaan
Lkh1LkLk iii (5-24)
di mana
1Lki = komponen fundamental arus beban fasa k (k = a,b,c)
Lkhi = komponen harmonisa orde-h arus beban fasa k (k = a,b,c)
maka arus yang mengalir pada kawat netral merupakan jumlah dari ketiga arus fasa
dan dinyatakan
107
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
c,b,ak
LkLn ii (5-25)
Jika beban tak linier diasumsikan beban yang seimbang, maka arus yang mengalir
pada kawat netral (5-25) merupakan jumlah komponen arus harmonisa orde kelipatan
tiga dari masing-masing arus fasa beban
...2,1m
1m23hLhLn i3i (5-26)
Jika diasumsikan tapis daya aktif shunt tiga fasa bekerja ideal, tidak adanya kawat
netral pada tapis daya tersebut akan menyebabkan komponen harmonisa orde
kelipatan tiga tidak dapat diinjeksikan sehingga arus kompensasinya hanya
mengandung komponen harmonisa orde-5,7,11,13,…dan dinyatakan dengan
...2,1m
1m6hLhCk ii (5-27)
Setelah injeksi arus kompensasi maka nilai arus sumber merupakan selisih antara
arus beban dan arus kompensasi
CkLkSk iii (5-28)
dengan melakukan substitusi (5-24) dan (5-27) ke dalam (5-28) maka diperoleh
Lkh1Lk
...2,1m
1m6hLkLkSk iiiii
(5-29)
persamaan (5-29) menunjukkan bahwa setelah kompensasi maka arus sumber akan
mengandung komponen fundamental dan harmonisa orde kelipatan tiga, hal ini
mengindikasikan masih adanya arus yang mengalir pada kawat netral.
Selanjutnya jika beban tak linier tiga fasa empat kawat yang terpasang pada sistem
merupakan beban satu fasa yang tidak identik maka kondisi ini menyebabkan
amplituda masing-masing orde harmonisa berbeda. Dengan menggunakan
transformasi komponen simetris,
c
b
a
2
2
0
V
V
V
aa1
aa1
111
3
1
V
V
V
dan
V
V
V
aa1
aa1
111
V
V
V 0
2
2
c
b
a
(5-30)
di mana 3
2j
ea
maka komponen-komponen harmonisa yang tidak seimbang dapat disajikan sebagai
penjumlahan komponen harmonisa yang seimbang LkhLkh
0LkhLkh iiii (5-31)
Jika tapis daya aktif shunt tiga fasa tiga kawat digunakan untuk melakukan
kompensasi maka arus yang diinjeksikan ke sistem merupakan arus tanpa komponen
urutan nol, dinyatakan sebagai CkCkCk iii (5-32)
karena
0i0Ck
(5-33)
Selanjutnya dengan menggunakan persamaan (5-24), (5-28) dan (5-32) maka arus
sumber dapat ditentukan sebagai berikut
108
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Lkh1LkSk iii (5-34)
dan kawat netral di sisi sumber akan dialiri arus sebesar
0Lkh
01LkSn iii (5-35)
Persamaan (5-35) menunjukkan bahwa tapis daya aktif shunt tiga fasa tiga kawat
tidak dapat melakukan kompensasi secara optimal pada sistem tiga fasa empat
kawat.
Pemasangan beban tak linier empat kawat akan menyebabkan adanya arus yang
mengalir pada kawat netral sehingga untuk melakukan kompensasi dibutuhkan
sumber arus terkendali pada tiap-tiap kawat. Gambar-5.16 menunjukkan suatu tapis
daya aktif shunt tiga fasa empat kawat yang diwakili oleh empat buah sumber arus
terkendali terpasang pada ketiga fasa dan kawat netral. Dengan mengasumsikan
beban yang terpasang pada sistem tiga fasa empat kawat adalah tiga buah beban tak
linier satu fasa maka dapat diturunkan persamaan arus beban (Gambar-5.17) sebagai
berikut
~
1h
hLahLa thsinI2i (5-36a)
~
1h
ho
LbhLb 120thsinI2i (5-36b)
~
1h
ho
LchLc 120thsinI2i (5-36c)
dan arus yang mengalir pada kawat netral dari sistem ditentukan dengan persamaan
LcLbLaLn iiii (5-36d)
Selanjutnya jika tegangan sumber yang digunakan tidak ideal maka dapat dinyatakan
~
1h
hahSa thsinV2v (5-37a)
~
1h
ho
bhSb 120thsinV2v (5-37b)
~
1h
ho
chSc 120thsinV2v (5-37c)
Adanya ketidakidealan sistem dan penggunaan beban satu fasa maka
ketidakseimbangan pada tegangan dan arus akan muncul. Agar besaran-besaran
tersebut dapat disajikan sebagai besaran yang seimbang maka transformasi
komponen simetris digunakan sehingga diperoleh persamaan arus beban
~
1h
hLh
~
1h
hLh
~
1h
0h
0LhLa
thsinI2
thsinI2thsinI2i
(5-38a)
109
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
1h
ho
Lh
~
1hh
oLh
~
1h
0h
0LhLb
120thsinI2
120thsinI2thsinI2i
(5-38b)
~
1h
ho
Lh
~
1h
ho
Lh
~
1h
0h
0LhLc
120thsinI2
120thsinI2thsinI2i
(5-38c)
dan arus yang mengalir pada kawat netral dinyatakan dengan
~
1h
0h
0LhLn thsinI23i (5-38d)
beb
an
ta
k l
inie
rti
ga
fa
saem
pa
t k
aw
atsai
sbi
sci
Lai
Lbi
Lci
cNicai cbi
sumber arus terkendali
cci
sNi LNi
teg
an
ga
nsu
mb
er
Gambar-5.16. Konverter MLP dioperasikan sebagai sumber arus terkendali untuk menginjeksikan arus kompensasi pada sistem tiga fasa empat kawat
Gambar-5.17. Arus fasa penyearah thyristor satu fasa (beban induktif) dan spektrumnya
110
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.18. Arus netral tiga buah penyearah thyristor satu fasa (beban induktif) dan spektrumnya
Secara analogi, tegangan sumber dapat diturunkan sebagai berikut
~
1h
hh
~
1h
hh
~
1h
0h
0hSa
thsinV2
thsinV2thsinV2v
(5-39a)
~
1h
ho
h
~
1h
ho
h
~
1h
0h
0hSb
120thsinV2
120thsinV2thsinV2v
(5-39b)
~
1h
ho
h
~
1hh
oh
~
1h
0h
0hSc
120thsinV2
120thsinV2thsinV2v
(5-39c)
Selanjutnya transformasi Clarke digunakan untuk mengubah besaran dari sistem
koordinat-abc menjadi besaran dalam koordinat-0 yang saling tegak lurus,
sehingga persamaan arus beban (5-38) dan tegangan sumber (5-39) dapat
ditransformasikan menjadi besaran arus dan tegangan dalam koordinat-0 seperti
dinyatakan pada persamaan (5-40) dan (5-41)
~
1h
hLh
~
1h
hLhL thsinI3thsinI3i (5-40a)
~
1h
hLh
~
1hhLhL thcosI3thcosI3i (5-40b)
~
1h
0h
0Lh0L thsinI6i (5-40c)
dan
111
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
1h
hh
~
1hhhS thsinV3thsinV3v (5-41a)
~
1h
hh
~
1h
hhS thcosV3thcosV3v (5-41b)
~
1h
0h
0h0S thsinV6v (5-41c)
Untuk menyederhanakan perhitungan maka digunakan
Persamaan daya sesaat tanpa memasukkan komponen arus urutan nol
L
L
SS
SS
L
L
i
i
vv
vv
q
p (5-42)
Persamaan daya sesaat yang hanya dipengaruhi komponen arus urutan nol
L
L
0L
0SS
0SS
0S
0L
0L
0L
i
i
i
v0v
0vv
00v
q
q
p
(5-43)
Dengan menggunakan kedua persamaan (5-42) dan (5-43) maka proses kompensasi
arus pada sistem tiga fasa empat kawat dapat diperlakukan seperti proses
kompensasi arus pada sistem tiga fasa tiga kawat dengan penambahan kompensasi
arus urutan nol. Arus kompensasi pada sumbu- ditentukan dengan
*
*1
SS
SS
*C
*C
q
p
vv
vv
i
i
(5-44)
dan selanjutnya transformasi ke koordinat-abc menghasilkan
*0C
*C
*C
abc_0*Cc
*Cb
*Ca
i
i
i
T
i
i
i
(5-45)
di mana *
0Ci merupakan 0L
i . Berdasarkan persamaan arus kompensasi maka
berbagai kompensasi dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt tiga fasa empat
kawat, di antaranya adalah :
Kompensasi daya reaktif fundamental
Kompensasi daya reaktif
Kompensasi daya harmonisa
Kompensasi daya reaktif dan harmonisa
Kompensasi arus urutan nol
Kompensasi daya nyata harmonisa, daya reaktif dan arus urutan nol
Agar kompensasi yang dilakukan pada sistem tiga fasa empat kawat dapat
dibandingkan dengan kompensasi pada sistem tiga fasa tiga kawat maka dipakai
kondisi yang sama yaitu tegangan sumber ideal dan beban tak linier yang seimbang
sehingga komponen tegangan dan arus hanya memiliki komponen urutan positif.
112
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
5.2.1 Kompensasi Daya Reaktif Fundamental
Pada kompensasi daya reaktif fundamental maka tapis daya aktif shunt hanya akan
membangkitkan komponen rata-rata daya reaktif sesaaat, kondisi ini menyebabkan
0
q
0
i
q
p
L
__
*0C
*
*
(5-46)
sehingga
111L1* sinIV3q (5-47)
dengan melakukan transformasi balik maka diperoleh arus kompensasi yang
diinjeksikan tapis daya aktif shunt sebesar
1o
111L*Ca 90tsinsinI2i (5-48a)
1oo
111L*Cb 90120tsinsinI2i (5-48b)
1oo
111L*Cc 90120tsinsinI2i (5-48c)
0i *Cn (5-48d)
karena hanya komponen rata-rata dari daya reaktif sesaat yang dibangkitkan maka
akan diinjeksikan arus berbentuk gelombang sinusoidal tiga fasa yang tergeser 90o
terhadap tegangan fasa (arus reaktif fundamental) seperti tampak pada Gambar-5.19.
Jumlah arus kompensasi ketiga fasa akan bernilai nol, hal ini menunjukkan tidak
adanya kompensasi arus urutan nol dan membuat arus sumber mengandung
komponen fundamental (arus aktif) ditambah seluruh komponen harmonisa arus
beban (Gambar-5.20) dan dinyatakan
~
,...7,5,3h
hhLh
1111LSa
thsinI2
tsincosI2i
(5-59a)
~
,...7,5,3h
hho
Lh
1o
111LSb
120thsinI2
120tsincosI2i
(5-59b)
~
,...7,5,3h
hho
Lh
1o
111LSc
120thsinI2
120tsincosI2i
(5-59c)
~
,...,...5,3,1m
m3hhLhSn thsinI23i (5-59d)
Pada gambar spektrum arus sumber (Gambar-5.21) tampak bahwa komponen
harmonisa arus beban tetap muncul pada sisi sumber sedangkan komponen
fundamental arus beban akan tereduksi akibat adanya injeksi arus reaktif fundamental
dari tapis daya aktif shunt. Dampak dari munculnya seluruh komponen harmonisa
arus beban pada sisi sumber adalah bahwa arus netral sisi beban akan sama dengan
arus netral sisi sumber. Pada Gambar-5.22 tampak trayektori arus kompensasi
berbentuk lingkaran sejajar dengan bidang- yang mengandung arti bahwa
113
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
gelombang tersebut berbentuk sinusoidal tiga fasa ideal. Hal ini mengindikasikan tidak
adanya kompensasi arus urutan nol.
Gambar-5.19. Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya reaktif fundamental
Gambar-5.20. Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif fundamental
Gambar-5.21. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif fundamental
114
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.22. Trayektori pada kompensasi daya reaktif fundamental
5.2.2 Kompensasi Daya Reaktif
Jika semua komponen daya reaktif dibangkitkan oleh tapis daya aktif shunt maka
0
q
0
i
q
p
L*
0C
*
*
(5-60)
sehingga
~
,...3,2,1m
1m6h
h11Lh1
111L1*
t1hsinIV3
sinIV3q
(5-61)
Kompensasi daya reaktif ini menyebabkan arus kompensasi mengandung komponen
fundamental dan harmonisa tetapi jumlah ketiga arus fasa tapis daya aktif shunt tetap
sama dengan nol karena tidak adanya kompensasi arus urutan nol (Gambar-5.23),
dan dinyatakan
~
.,...3,2,1m
1m6h1
oh1Lh
1o
111L*Ca
90thsinsinI2
90tsincosI2i
(5-62a)
~
.,...3,2,1m
1m6h1
ooh1Lh
1oo
111L*Cb
90120thsinsinI2
90120tsincosI2i
(5-62b)
115
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
.,...3,2,1m
1m6h1
ooh1Lh
1oo
111L*Cb
90120thsinsinI2
90120tsincosI2i
(5-62c)
0i *Cn (5-62d)
Injeksi arus kompensasi di atas menyebabkan arus sumber mengandung komponen
fundamental dan komponen harmonisa yang tereduksi (kecuali komponen harmonisa
orde kelipatan tiga yang tidak tereduksi) sehingga arus netral sisi sumber sama
dengan arus netral sisi beban (Gambar-5.24 dan Gambar-5.25) dan dinyatakan
dengan persamaan
~
,...7,5,3h
1h1Lh
1111LSa
thsincosI2
tsincosI2i
(5-63a)
~
,...7,5,3h
1o
h1Lh
1o
111LSb
120thsincosI2
120tsincosI2i
(5-63b)
~
,...7,5,3h
1o
h1Lh
1o
111LSb
120thsincosI2
120tsincosI2i
(5-63c)
~
Sn Lh h
h 3mm 1,3,5,...
i t 3 2I sin h t
~
,...,...5,3,1m
m3hhLhSn thsinI23i (5-63d)
Trayektori arus kompensasi tapis daya aktif shunt (Gambar-5.26) berada pada
bidang- (tetapi tidak berbentuk lingkaran) yang mengindikasikan adanya
kandungan harmonisa (tanpa orde kelipatan tiga).
Gambar-5.23. Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya reaktif
116
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.24. Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif
Gambar-5.25. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif
Gambar-5.26. Trayektori pada kompensasi daya reaktif
5.2.3 Kompensasi Daya Harmonisa
Kompensasi jenis ini membuat tapis daya aktif shunt hanya membangkitkan
komponen riak dari daya sesaat
0
q
p
i
q
p
L
~L
~
*0C
*
*
(5-64)
117
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
sehingga
~
,...3,2,1m
1m6hh11Lh1
* t1hcosIV3p (5-65a)
~
,...3,2,1m
1m6hh11Lh1
* t1hsinIV3q (5-65b)
Kompensasi ini berupa injeksi arus harmonisa (tanpa orde kelipatan tiga) pada kawat
fasanya sehingga arus kompensasi netral sama dengan nol (Gambar-5.27).
~
,...3,2,1m
1m6hhLh
*Ca thsinI2i (5-66a)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oLh
*Cb 120thsinI2i (5-66b)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oLh
*Cc 120thsinI2i (5-66c)
0i *Cn (5-66d)
Gambar-5.27. Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya harmonisa
Hal ini mengakibatkan komponen harmonisa bukan orde kelipatan tiga dari arus
sumber akan dieliminasi sehingga arus fasa sumber mengandung komponen
fundamental (arus aktif dan arus reaktif) ditambah komponen harmonisa orde
kelipatan tiga yang berdampak masih munculnya arus netral pada sisi sumber
(Gambar-5.28 dan Gambar-5.29), secara matematis dinyatakan oleh persamaan (5-
67).
~
.,...5,3,1m
m3hhLh11LSa thsinI2tsinI2i (5-67a)
118
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
.,...5,3,1m
m3hh
oLh1
o1LSb 120thsinI2120tsinI2i (5-67b)
~
.,...5,3,1m
m3hh
oLh1
o1LSc 120thsinI2120tsinI2i (5-67c)
~
.,...5,3,1m
m3hhLhSn thsinI23i (5-67d)
Trayektori arus kompensasi terletak pada sumbu- karena tidak adanya komponen
arus urutan nol (Gambar-5.30).
Gambar-5.28. Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya harmonisa.
Gambar-5.29. Spektrum arus pada kompensasi daya harmonisa
119
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.30. Trayektori pada kompensasi daya harmonisa
5.2.4 Kompensasi Daya Reaktif dan Harmonisa
Kompensasi ini dilakukan tapis daya aktif shunt dengan membangkitkan komponen
riak daya nyata sesaat ditambah seluruh daya reaktif
0
q
p
i
q
p
L
L
~
*0C
*
*
(5-68)
sehingga
~
,...3,2,1m
1m6hh11Lh1
* t1hcosIV3p (5-69a)
~
,...3,2,1m
1m6hh11Lh1
111L1*
t1hsinIV3
sinIV3q
(5-69b)
Kompensasi dilakukan dengan menginjeksikan komponen arus harmonisa (kecuali
komponen harmonisa orde kelipatan tiga) ditambah dengan komponen arus reaktif
fundamental ke sistem (Gambar-5.31) sehingga arus sumber akan mengandung
komponen arus aktif ditambah komponen harmonisa orde kelipatan tiga. Munculnya
komponen harmonisa orde kelipatan tiga pada sisi sumber berdampak arus netral
beban sama dengan arus netral sumber (Gambar-5.32). Persamaan arus kompensasi
dinyatakan sebagai
~
,...3,2,1m
1m6hhLh
1o
111L*Ca
thsinI2
90tsinsinI2i
(5-70a)
120
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
,...3,2,1m
1m6hh
oLh
1oo
111L*Cb
120thsinI2
90120tsinsinI2i
(5-70b)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oLh
1oo
111L*Cc
120thsinI2
90120tsinsinI2i
(5-70c)
0i *Cn (5-70d)
Gambar-5.31. Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa
Sedangkan arus sumbernya disajikan dengan persamaan
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
1111LSa
thsinI2
tsincosI2i
(5-71a)
~
.,...5,3,1m
m3hh
oLh
1o
111LSb
120thsinI2
120tsincosI2i
(5-71b)
~
.,...5,3,1m
m3hh
oLh
1o
111LSc
120thsinI2
120tsincosI2i
(5-71c)
~
.,...5,3,1m
m3hhLhSn thsinI23i (5-71d)
121
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.32. Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa
Gambar-5.33. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa
Pada Gambar-5.34 tampak trayektori arus kompensasi yang terletak pada bidang-,
hal ini menunjukkan tidak adanya injeksi arus netral pada tapis daya aktif shunt.
Gambar-5.34. Trayektori pada kompensasi daya reaktif dan harmonisa
122
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
5.2.5 Kompensasi Arus Urutan Nol
Kompensasi ini dilakukan dengan membuat
0L*
0C
*
*
i
0
0
i
q
p
(5-72)
sehingga
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
*0C thsinI6i (5-73)
Gambar-5.35 menunjukkan bahwa arus kompensasi pada tiap fasa yang diinjeksikan
oleh tapis daya aktif shunt adalah sama karena merupakan komponen arus urutan nol
(komponen harmonisa orde kelipatan tiga), dinyatakan dengan
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
*Cc
*Cb
*Ca thsinI2iii (5-74a)
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
*Cn thsinI23i (5-74b)
Injeksi arus kompensasi tersebut hanya akan mengeliminasi komponen harmonisa
orde kelipatan tiga dari arus beban sehingga arus sumber akan mengandung semua
komponen kecuali komponen harmonisa orde kelipatan tiga (Gambar-5.36 dan
Gambar-5.37), dinyatakan dengan
~
,...3,2,1m
1m6hhLh
11LSa
thsinI2
tsinI2i
(5-75a)
o
Sb L1 1
~o
Lh h
h 6 m 1m 1,2,3...
i t 2I sin t 120
2I sin h t 120
~
,...3,2,1m
1m6hh
oLh
1o
1LSb
120thsinI2
120tsinI2i
(5-75b)
~
,...3,2,1m
1m6hh
oLh
1o
1LSc
120thsinI2
120tsinI2i
(5-75c)
0iSn (5-75d)
123
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.35. Arus beban dan arus kompensasi tapis daya aktif shunt pada kompensasi arus urutan nol
Pada trayektori arus tampak arus kompensasi hanya memiliki komponen yang sejajar
sumbu-0 (komponen arus urutan nol), sedangkan arus sumber akan sejajar dengan
bidang-0 karena tidak adanya arus netral pada sisi sumber (Gambar-5.38).
Gambar-5.36. Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi arus urutan nol
Gambar-5.37. Spektrum arus pada kompensasi arus urutan nol
124
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.38. Trayektori pada kompensasi arus urutan nol
5.2.6 Kompensasi Daya Reaktif, Harmonisa dan Arus Urutan Nol
Kompensasi ini dilakukan oleh tapis daya aktif shunt dengan membangkitkan
komponen rata-rata daya nyata sesaat, daya reaktif dan arus urutan nol
0L
L
L
~
*0C
*
*
i
q
p
i
q
p
(5-76)
sehingga
~
,...3,2,1m
1m6hh11Lh1
* t1hcosIV3p (5-77a)
~
,...3,2,1m
1m6hh11Lh1
111L1*
t1hsinIV3
sinIV3q
(5-77b)
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
*0C thsinI6i (5-77c)
Realisasi penapisan dilakukan dengan menginjeksikan seluruh komponen harmonisa
ditambah arus reaktif (Gambar-5.39) yang dinyatakan dengan
~
,...7,5,3h
hLh
1o
111L*Ca
thsinI2
90tsinsinI2i
(5.78a)
125
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
,...7,5,3h
ho
Lh
1oo
111L*Cb
120thsinI2
90120tsinsinI2i
(5.78b)
~
,...7,5,3h
ho
Lh
1oo
111L*Cc
120thsinI2
90120tsinsinI2i
(5.78c)
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
*Cn thsinI23i (5.78d)
Kompensasi jenis ini akan memaksa arus sumber hanya akan mengandung arus aktif
sehingga arus netral sisi sumber akan sama dengan nol (Gambar-5.40 dan Gambar-
5.41), secara matematis disajikan
1111LSa tsincosI2i (5-79a)
1o
111LSb 120tsincosI2i (5-79b)
1o
111LSc 120tsincosI2i (5-79c)
0iSn (5-79d)
Gambar-5.39. Arus beban dan arus kompensasi pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol
Pada trayektori, arus sumber yang demikian memiliki bentuk lingkaran yang sejajar
pada bidang-β0.
126
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-5.40. Tegangan fasa dan arus sumber pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol
Gambar-5.41. Spektrum arus pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol
Gambar-5.42. Trayektori pada kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol
Diagram aliran daya proses penapisan aktif pada sistem tiga fasa empat kawat
disajikan pada Gambar-5.43. Gambar tersebut menunjukkan seluruh komponen daya
reaktif dan harmonisa beban akan dicatu oleh tapis daya aktif.
127
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
tegangansumber
beb
an t
ak l
inie
rti
ga
fasa
emp
at k
awat
TDAshunt
__
p
__
0p
__
p
__
0p
__
0p__
0p
~
p
~
p
~
0p
~
0p
q
Gambar-5.43. Diagram aliran daya pada sistem tiga fasa empat kawat dengan beban tak linier
5.3 KESIMPULAN
Penapisan aktif secara shunt pada sistem tiga fasa dibedakan menjadi dua yaitu
penapisan dengan sistem tiga kawat dan empat kawat. Untuk sistem tiga kawat maka
tapis daya aktif shunt dapat diwakili oleh tiga buah sumber arus terkendali yang
terpasang pada masing-masing fasa. Dengan mengacu pada konsep daya sesaat
maka berbagai komponen daya sesaat dapat diuraikan, dengan menggunakan invers
matriks tegangan maka referensi arus kompensasi dapat ditentukan. Selanjutnya
berbagai kompensasi dapat dilakukan oleh tapis daya aktif shunt melalui injeksi arus
kompensasi.
Pada sistem tiga fasa dengan empat kawat, tapis daya aktif shunt dapat
direpresentasikan oleh empat buah sumber arus terkendali terpasang pada ketiga
fasa dan kawat netral. Aplikasi konsep daya sesaat pada metoda pengendalian tapis
daya aktif shunt tiga fasa empat menghadapi kendala akibat kompleksitas persamaan
daya sesaatnya. Pada tulisan ini dijabarkan penyederhanaan persamaan daya sesaat
melalui pemisahan komponen daya sesaat pada sumbu-β dan sumbu-0. Dengan
cara demikian maka proses penentuan referensi arus kompensasi pada pengendalian
tapis daya aktif shunt tiga fasa empat kawat dapat diperlakukan seperti pada sistem
tiga fasa tiga kawat. Perbedaannya terletak pada kompensasi arus urutan nol. Dari
analisis yang dilakukan, suatu diagram aliran daya pada sistem yang mengandung
beban tak linier dan tapis daya aktif shunt disajikan guna memudahkan pemahaman
atas komponen daya yang harus dibangkitan sumber dan komponen daya yang harus
dibangkitkan oleh tapis daya aktif shunt.
5.4 DAFTAR PUSTAKA
1. Akagi, H. (1994), Trends in Active Power Line Conditioner, IEEE Trans. on Power
Electronics, vol.9, no.3, 263-268
128
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
2. Akagi, H. dan Fujita, H. (1995), A New Power Line Conditioner for Harmonic
Compensation in Power Systems, IEEE Trans. on Power Delivery , vol.10, no.3,
1570-1575
3. Akagi, H. (1996), New Trends in Active Filter for Power Conditioning, IEEE Trans.
on Industry Applications, vol.32, no.6, 1312-1322
4. Aredes, M. dan Watanabe, E.H. (1995), New Control Algorithms for Series and
Shunt Three-Phase Four-Wire Active Power Filters, IEEE Trans. on Power
Delivery, vol.10, no.3, 1649-1656
5. Aredes, M., Hafner, J., dan Heumann, K. (1997), Three-Phase Four-Wired Shunt
Active Filter Control Strategies, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.12, no.2,
311-318
6. Chen, C.C. dan Hsu, Y.Y. (2000), A Novel Approach to the Design of a Shunt
Active Filter for an Unbalanced Three-Phase Four-Wire System under
Nonsinusoidal Conditions, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.15, no.4, 1258-1264
7. Depenbrock, M., Staudt, V., dan Wrede, H. (2003), A Theoretical Investigation of
Original and Modified Instantaneous Power Theory Applied to Four-Wire
Systems, IEEE Trans. on Industry Applications, vol.39, no.4, 1160-1167
8. Huang, S.J. dan Wu, J. C. (1999), A Control Algorithm for Three-Phase Three-
Wired Active Power Filter under Nonideal Mains Voltages, IEEE Trans. on Power
Electronics, vol.14, no.4, 753-760
9. Peng, F.Z. dan Lai, J. S. (1996), Generalized Instantaneous Reactive Power Theory
for Three-Phase Power Systems, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement,
vol.45, no.1, 293-297
10. Zuniga, T.E.N. dan Pomilio, J.A. (2002), Shunt Active Power Filters Sinthesizing
Resistive Loads, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.17, no.2 , 273-278
11. Watanabe, E.H., Stephan, R.M., dan Aredes, M. (1993), New Concepts of
Instantaneous Active and Ractive Powers in Electrical Systems with Generic
Loads, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.8, no.2, 697-703
129
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
DESAIN DAN PENGUJIAN
BAB 6
Berbagai kompensasi yang telah disajikan pada bab sebelumnya menunjukkan bahwa
dengan proses dekomposisi maka referensi dapat ditentukan sesuai arus sumber
yang dikehendaki. Untuk mendapatkan arus sumber sinusoidal yang sefasa dengan
tegangan sumber maka dibutuhkan arus kompensasi dengan komponen paling
banyak. Sumber yang mencatu beban tak linier akan memiliki kelima komponen arus.
Dengan kompensasi daya reaktif, harmonisa dan arus urutan nol maka diharapkan
hanya komponen arus Skpfi yang mengalir pada sisi sumber. Kondisi ini dapat
tercapai jika tapis daya aktif menginjeksikan komponen riak dari daya nyata sesaat
S
~
p , daya reaktif sesaat Sq serta komponen arus akibat munculnya arus netral
0Ski . Dengan asumsi bahwa jika suatu sumber dipaksa hanya memberikan
komponen rata-rata dari daya nyata sesaat maka arus sumber hanya mengandung
komponen arus Skpfi .
Mengacu pada proses dekomposisi arus maka agar dapat dilakukan kompensasi,
komponen arus yang tak diinginkan **
Ski harus dieliminasi dari sisi sumber. Hal ini
dapat dicapai jika komponen arus tersebut diinjeksikan ke dalam sistem. Pada bab ini
dijabarkan hasil pengujian prototip tapis daya aktif shunt tiga fasa empat kawat.
Metoda pengendalian yang dipakai berbasis pada kesamaan daya sesaat sumber.
Prinsip operasi metoda pengendalian ini terdiri dari beberapa blok seperti ditunjukkan
oleh diagram alir pada Gambar-6.1.
tegangansesaat
arus sumbersesaat
perhitungan dayasesaat
penapisan untukmembuang komponen
daya yang akandikompensasi
penentuan komponenarus tak diinginkan
eliminasi komponen arustak diinginkan
Gambar-6.1. Diagram alir prinsip dasar metoda pengendalian berbasis daya sesaat sumber
130
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Pada diagram alir di atas terdapat satu blok yang berisikan proses eliminasi
komponen arus tak diinginkan, proses ini direalisasikan melalui injeksi komponen arus
kompensasi ke dalam sistem oleh tapis daya aktif shunt. Besaran arus tak diinginkan
dipakai sebagai sinyal masukan kontroler PI untuk menghasilkan sinyal modulasi bagi
ramp comparison (Gambar-6.3).
C
a
b
c
n
G1 G3 G5 G7
G2 G4 G6 G8
rangkaian driverMLP berbasis
pembawa
G1-G2
rangkaian pensaklaran
konverter MLPtiga fasa
empat lenganG3-G4 G5-G6 G7-G8
Gambar-6.2. Konverter tiga fasa empat lengan dikendalikan dengan modulasi lebar pulsa berbasis pembawa sebagai tapis daya aktif shunt
Gambar-6.3. Kontroler arus berbasis PI untuk menghasilkan sinyal MLP bagi tapis daya aktif shunt
6.1 KOMPENSASI DAYA URUTAN NOL DAN RUGI-RUGI DAYA
Metoda pengendalian yang digunakan harus mampu melakukan kompensasi
terhadap komponen daya urutan nol 0p melalui injeksi arus kompensasi pada kawat
netral. Adanya rugi-rugi konduksi dan pensaklaran dari konverter MLP juga harus
dikompensasi karena tidak ada sumber tegangan searah yang digunakan (hanya
elemen penyimpan energi). Oleh karena itu deteksi adanya aliran daya nyata pada
konverter MLP harus dilakukan. Metoda yang digunakan di sini adalah dengan
mendeteksi tegangan kapasitor pada dc-link (Gambar-6.4). Penurunan tegangan
kapasitor pada sisi tegangan searah konverter MLP menunjukkan adanya pemberian
daya nyata ke sistem sedangkan jika tegangan kapasitor naik maka terjadi
penyerapan daya dari sistem. Sehingga untuk menjamin tidak adanya penyerapan
131
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
ataupun pelepasan daya maka tegangan kapasitor harus dijaga konstan.
Implementasi dalam metoda ini dilakukan dengan cara melengkapi konverter MLP
dengan peregulasi tegangan.
kontrolerPI
capv
refV +
+
-
-
CP
~
Sp
1
v
**
Si
Gambar-6.4. Loop peregulasi tegangan dc-link
Dengan adanya tambahan daya cP yang diserap/dibangkitkan oleh konverter MLP
dari sistem, maka
0L
L
cL
~
*0C
*
*
i
q
Pp
i
q
p
(6-1)
persamaan (6-1) merupakan modifikasi dari persamaan (5-76) dengan penambahan
komponen cP yang akan menghasilkan penambahan arus sumber sebesar
0
P
vv
vv1
i
i c
SS
SS
sPS
PS
S
S
s
c
cS
cS
sPS
PS
v
vP
Pv
Pv1
i
i
1
12c
PS
PS
tcosV3
tsinV3
V3
P
i
i
1o
1o
1c
PSc
PSb
PSa
120tsin2
120tsin2
tsin2
V3
P
i
i
i
(6-2)
Persamaan (6-2) merupakan arus tambahan yang harus diberikan oleh tapis daya
aktif shunt untuk melakukan kompensasi daya urutan nol dan rugi-rugi daya pada
konverter MLP. Jika V3
PI c
maka arus kompensasi akan menjadi
~
,...7,5,3h
hLh1
1o
111L*Ca
thsinI2tsinI
90tsinsinI2i
(6-3a)
~
,...7,5,3h
ho
Lh1o
1oo
111L*Cb
120thsinI2120tsinI
90120tsinsinI2i
(6-3b)
132
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
~
,...7,5,3h
ho
Lh1o
1oo
111L*Cc
120thsinI2120tsinI
90120tsinsinI2i
(6-3c)
~
.,...5,3,1m
m3hhLh
*Cn thsinI23i (6-3d)
Persamaan arus kompensasi referensi (6-3) terdiri dari tiga komponen, yaitu
pertama, merupakan komponen fundamental yang kuadratur terhadap
tegangan fasa sehingga akan menginjeksikan daya reaktif fundamental
kedua, komponen fundamental yang sefasa dengan tegangan fasa terkait
dengan kompensasi daya urutan nol dan rugi-rugi daya tapis daya aktif
ketiga merupakan komponen harmonisa yang akan menginjeksikan daya
harmonisa baik nyata maupun reaktif
Kompensasi jenis ini akan memaksa arus sumber hanya akan mengandung arus aktif
fundamental sehingga arus netral sisi sumber sama dengan nol, secara matematis
disajikan
1111LSa tsinIcosI2i (6-4a)
1o
111LSb 120tsinIcosI2i (6-4b)
1o
111LSc 120tsinIcosI2i (6-4c)
0iSn (6-4d)
Didasari analisis di atas maka suatu skema pengendalian tapis daya aktif shunt
berbasis daya sesaat sumber dapat diturunkan (Gambar-6.5).
abc_αβT
abc_αβT
HPF
αβ
Sα
S
βα
Sβ
s
vv
ip
=-v
vi
q
-+
kontrolerarussinyal
gate
kekonverter
MLP
Sq
Sp~
Sp
CΔP
**
Si
S0i
**
Sabci
v
αβ0_abcT
arussumber
tegangan
-1** *α βSα
** *β αSβ
v vi p=
-v vi q
komponen arussumber tak diingnkan
~
CSp -ΔP
Gambar-6.5. Skema pengendalian tapis daya aktif berbasis daya sesaat sumber
133
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
6.2 PENGARUH KONDISI TEGANGAN SUMBER
Metoda pengendalian tapis daya aktif shunt tiga fasa empat kawat yang berbasis
pada daya sesaat membutuhkan nilai sesaat dari tegangan sumber dan arus beban.
Kedua besaran sesaat tersebut selanjutnya ditransformasikan ke dalam koordinat-
melalui transformasi Clarke untuk menentukan besarnya daya nyata sesaat dan daya
reaktif sesaat. Dengan menggunakan suatu tapis (Low Pass Filter atau High Pass
Filter) maka daya sesaat beban akan dipisahkan menjadi daya sesaat yang harus
dibangkitkan oleh sumber dan daya sesaat yang harus dibangkitkan oleh tapis daya
aktif shunt. Arus sumber dapat ditentukan dengan menggunakan komponen rata-rata
daya nyata sebagai berikut
0
pvv
vv1
i
iL
__
SS
SS
sS
S
(6-5)
Pada kondisi tegangan ideal, nilai tegangan sumber pada koordinat- merupakan
suatu fungsi sinusoidal dan kosinusoidal dengan amplituda sama sehingga nilai S
akan merupakan suatu konstanta. Dengan mengacu persamaan (6-5) akan diperoleh
arus sumber pada koordinat- yang hasilnya juga merupakan suatu fungsi sinusoidal
dan kosinusoidal dengan amplituda sama. Arus sumber pada koordinat-abc dapat
ditentukan dengan menggunakan invers transformasi Clarke. Dengan mengacu pada
persamaan tersebut maka pada tegangan sumber ideal akan didapatkan arus sumber
yang merupakan tiga buah gelombang sinusoidal saling tergeser 1200. Pada Gambar-
6.6 ditunjukkan karakteristik penapisan sistem tiga fasa empat kawat pada tegangan
sumber ideal.
Untuk melihat pengaruh pada kondisi tegangan sumber yang tidak ideal, maka akan
diasumsikan kondisi tegangan yang tidak seimbang sehingga dapat diturunkan
persamaan berikut
tsinV2
tsinV2tsinV2v 00
Sa
(6-6a)
o
o0
0Sb
120tsinV2
120tsinV2tsinV2v
(6-6b)
o
o0
0Sc
120tsinV2
120tsinV2tsinV2v
(6-6c)
dengan menggunakan transformasi Clarke, tegangan pada koordinat- dapat
ditentukan
tcosV3tcosV3
tsinV3tsinV3
v
v
S
S (6-7)
selanjutnya 2S
2Ss vv
134
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
tcosVtcosV4
tcosV3tcosV3
tsinVtsinV4
tsinV3tsinV3
2222
2222
s
tcosVtcosV4
tsinVtsinV213s
(6-8)
Gambar-6.6. Pengaruh tegangan sumber ideal terhadap proses penapisan pada sistem tiga fasa empat kawat
Persamaan (6-8) menunjukkan bahwa nilai s mengandung komponen rata-rata dan
komponen riak, dengan memperhatikan persamaan (6-5) dan transformasi Clarke
maka pada kondisi seperti ini akan didapatkan arus sumber yang mengandung
komponen fundamental dan komponen harmonisa. Gambar-6.7 menunjukkan
karakteristik penapisan pada tegangan sumber tak seimbang. Sedangkan untuk kasus
tegangan sumber yang terdistorsi ditunjukkan pada Gambar-6.8. Dari analisis di atas
tampak bahwa untuk dapat melakukan penapisan secara optimal maka dibutuhkan
besaran tegangan sumber tiga fasa yang ideal. Secara hipotesis, jika dapat
dibangkitkan gelombang sinusoidal tiga fasa ideal sebagai informasi besaran
tegangan dalam penentuan daya sesaat pada kondisi tegangan sumber apapun maka
proses penapisan akan menghasilkan arus sumber yang mendekati sinusoidal tiga
fasa. Sebenarnya kondisi ini dapat diantisipasi dengan menggunakan tapis seperti
tampak pada Gambar-6.9, tetapi cara ini kurang efektif dikarenakan karakteristik tapis
yang tidak ideal serta dibutuhkannya sensor tegangan yang harganya cukup mahal.
Gambar-6.7. Pengaruh tegangan sumber tak seimbang terhadap proses penapisan pada sistem tiga fasa empat kawat
135
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.8. Pengaruh tegangan sumber terdistorsi terhadap proses penapisan pada sistem tiga fasa empat kawat
VS VS VS
SR
SR
SR
SL
SL
SL
SaiSav
Sbv
Scv
Sbi
Sci
Sni
tapis
tapis
tapis
Sa1v
Sb1v
Sc1v
vo
ltag
ese
nso
r
Gambar-6.9. Deteksi tegangan sumber melalui sensor tegangan & tapis
Agar selalu dihasilkan gelombang sinusoidal tiga fasa sebagai besaran tegangan
maka digunakan informasi fasa. Mula-mula tegangan salah satu fasa dideteksi sudut
fasanya dengan menggunakan suatu trafo dan rangkaian ZCD (zero crossing
detector). Karena yang dibutuhkan hanya informasi fasa maka tegangan pada kondisi
apapun akan menghasilkan informasi fasa yang sama (Gambar-6.10). Dari informasi
fasa tersebut, selanjutnya PLL akan membuat pulsa dengan frekuensi n kali frekuensi
tegangan sumber. Dengan bantuan “look-up table”, suatu mikrokontroler digunakan
untuk menghasilkan gelombang sinusoidal tiga fasa yang sefasa dengan tegangan
sumber sebagai besaran tegangan dalam penentuan daya sesaat. Karena besaran
tegangan bukan merupakan tegangan sumber sesungguhnya maka besaran
tegangan ini dinamakan tegangan representatif dan daya hasil perhitungan yang
menggunakan besaran tegangan representatif merupakan daya representatif. Pada
Gambar-6.11 disajikan suatu skema rangkaian PLL yang terdiri dari empat buah
elemen yaitu :
phase comparator, berfungsi untuk membandingkan pulsa masukan
berfrekuensi f dan pulsa keluaran dari counter dengan frekuensi nf, pada
kondisi normal maka kedua sinyal tersebut akan selalu terkunci (locked)
136
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
LPF dan VCO yang berfungsi mengolah perbedaan fasa kedua sinyal
tersebut di atas sehingga dihasilkan sinyal keluaran VCO yang matched
frekuensinya
Counter, berfungsi untuk membagi frekuensi gelombang masukan counter (nf)
dengan n
Gambar-6.10. Pembentukan besaran tegangan melalui PLL dan look-up table bagi mikrokontroler
PhaseComparator
Low PassFilter
VoltageControlledOscillator
:nCounter
f nf
Gambar-6.11. Skema PLL (Phase Locked Loop )
Keluaran elemen counter inilah yang digunakan sebagai sinyal masukan bagi
mikrokontroler untuk membaca “look-up table” sehingga dihasilkan gelombang
sinusoidal yang ideal. Makin besar nilai n (faktor pembagi frekuensi pada counter)
maka akan semakin baik resolusi dari gelombang sinusoidal yang dihasilkan
mikrokontroler (Gambar-6.12).
Gambar-6.12. (a) tegangan trafo & ZCD (b) tegangan PLL & rV
137
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Dengan mengacu pada analisis di atas maka suatu kesimpulan dalam menurunkan
metoda pengendalian tapis daya aktif shunt tiga fasa empat kawat dapat diberikan,
yaitu :
Metoda pengendalian tapis daya aktif shunt tiga fasa empat awat berbasis
daya sesaat sumber memerlukan deteksi arus sumber dan besaran tegangan
guna menentukan daya sesaat sumber, agar mampu bekerja pada kondisi
tegangan sumber tak ideal maka tegangan representatif yang selalu
sinusoidal mutlak diperlukan.
Pemakaian tegangan representatif juga memungkinkan metoda pengendalian
tersebut mampu bekerja pada pembebanan yang tak seimbang.
Penggunaan deteksi arus pada sisi sumber yang menggantikan deteksi arus
pada sisi beban dan sisi tapis daya aktif mengurangi jumlah sensor arus yang
dibutuhkan.
Sehingga akhirnya suatu modifikasi skema pengendalian tapis daya aktif shunt tiga
fasa empat kawat berbasis daya sumber dapat disajikan pada Gambar-6.13.
metoda pengendalianberbasis daya sesaat sumber
(Gambar V.34)
pembentukantegangan
representatif(Gambar V.39)
kontroler arus (Gambar V.32)
KONVERTERMLP
(Gambar V.31)
peregulasitegangan
(Gambar V.33)
tegangansumbertiga fasa
beban tak liniertiga fasa
empat kawat
Gambar-6.13. Skema pengendalian tapis daya aktif shunt tiga fasa empat kawat berbasis daya sesaat sumber dengan menggunakan tegangan representatif
Untuk mendukung analisis yang telah diuraikan pada bab-bab sebelumnya maka
disajikan hasil simulasi dan percobaan laboratorium. Analisis harmonisa dilakukan
untuk verifikasi hasil simulasi dan percobaan didasarkan kriteria yang mengacu pada
IEEE 519-1992 Standard. Simulasi dan percobaan yang dilakukan ditujukan untuk
Menguji kemampuan metoda pengendalian tapis daya aktif shunt untuk
beroperasi pada kondisi tegangan sumber ideal maupun tak ideal
138
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Menguji kemampuan metoda pengendalian tapis daya aktif shunt untuk
beroperasi pada pembebanan tak linier seimbang maupun tak seimbang
Mengetahui pengaruh nilai tegangan dc-link konverter MLP terhadap
karakteristik penapisan.
6.3 HASIL SIMULASI
Gambar-6.14 menyajikan rangkaian yang digunakan untuk melakukan simulasi dan
percobaan laboratorium (Parameter rangkaian ditunjukkan Tabel-6.1). Tapis daya aktif
shunt tiga fasa empat kawat mengimplementasikan konverter MLP empat lengan
dilengkapi pengendali arus dan tegangan berbasis kontroler PI. Tiga buah penyearah
thyristor satu fasa berbeban induktif dipakai untuk merepresentasikan beban tak linier
jenis arus tiga fasa empat kawat. Kondisi tegangan sumber yang digunakan ada dua
macam, yaitu :
Tegangan ideal sinusoidal tiga fasa dengan amplituda tiap fasa sama dan
tanpa kandungan harmonisa
Tegangan tak ideal dengan karakteristik mendekati tegangan sumber yang
digunakan dalam percobaan laboratorium seperti disajikan pada Tabel-6.2.
Tabel-6.1. Parameter rangkaian untuk simulasi
Vs = 30 Vrms
Sumber Rs = 0,2 Ohm
Ls = 0,2 mH
penyearah thyristor satu fasa
Beban tak linier berbeban induktif
tiga fasa empat kawat R = Variabel
L = 20 mH
Konverter MLP empat lengan
Rds = 0,27 Ohm
Tapis daya aktif shunt Lc = 10 mH
C = 6600 uF
Fs = 2,5 kHz
Vdc-link = 120 Vdc
139
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.14. Skema rangkaian yang digunakan untuk melakukan simulasi dan pengujian laboratorium
140
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Tabel-6.2. Komponen tegangan tak seimbang-terdistorsi yang digunakan untuk simulasi
Orde
TEGANGAN (Vrms)
fasa_a fasa_b fasa_c
1 30,81 26,02 39,45
3 5,95 5,93 6,30
5 0,84 0,44 1,18
7 0,49 0,25 0,47
9 1,78 1,83 1,81
11 0,19 0,35 0,05
13 0,22 0,20 0,29
15 0,92 0,91 0,96
6.3.1 Simulasi dengan Menggunakan Deteksi Fasa Sumber pada Tegangan
Sumber Ideal
Untuk membuat metoda pengendalian tapis daya aktif shunt tidak terpengaruh oleh
kondisi tegangan sumber maka digunakan deteksi fasa sumber untuk membangkitkan
tegangan representatif sebagai pengganti deteksi tegangan sumber. Gambar-6.15 –
Gambar-6.18 menunjukkan simulasi yang menggunakan deteksi fasa sumber pada
kondisi tegangan sumber ideal, selain melakukan simulasi pada beban tak linier
seimbang, pemakaian beban tak linier tiga fasa empat kawat yang menyebabkan
ketidakseimbangan arus beban juga dilakukan guna menguji kemampuan metoda
pengendalian.
Gambar-6.15 dan Gambar-6.16 menunjukkan hasil simulasi pada kondisi tegangan
sumber ideal dan pembebanan dengan beban tak linier tiga fasa empat kawat
seimbang. Gambar tersebut menunjukkan bahwa tapis daya aktif shunt mampu
melakukan kompensasi secara optimal sehingga arus sumber memiliki bentuk
sinusoidal yang sefasa terhadap tegangan sumber. Metoda pengendalian tapis daya
aktif juga mampu melakukan penapisan dengan optimal pada pembebanan tak linier
tak seimbang (Gambar-6.17 dan Gambar-6.18).
141
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.15. Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (a) tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber
Gambar-6.16. Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (deteksi fasa sumber)
Pada kondisi tegangan sumber yang ideal, besaran tegangan representatif yang
digunakan untuk melakukan perhitungan daya sesaat memiliki bentuk yang sama
dengan tegangan sumber yaitu gelombang sinusoidal tiga fasa. Perbedaannya
terletak pada besarnya amplituda, jika pada deteksi tegangan sumber secara
langsung maka amplitudanya merupakan amplituda tegangan fasa sistem, sedangkan
pada deteksi fasa sumber, gelombang sinusoidal yang digunakan untuk perhitungan
daya sesaat memiliki amplituda tertentu.
142
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.17.. Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (a) tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber
Gambar-6.18. Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (deteksi fasa sumber)
6.3.2 Simulasi dengan Menggunakan Deteksi Fasa Sumber pada Tegangan Sumber Tak Ideal
Simulasi pada kondisi tegangan sumber tak ideal dilakukan dengan menggunakan
pembebanan tak linier yang seimbang (Gambar-6.19 dan Gambar-6.20) dan beban
tak linier yang tak seimbang (Gambar-6.21 dan Gambar-6.22). Besaran tegangan
yang diambil dari tegangan representatif (dibangkitkan melalui deteksi fasa) membuat
metoda pengendalian tidak terpengaruh oleh kondisi tegangan sumber sehingga arus
sumber selalu dipaksa sinusoidal tiga fasa dengan THD yang relatif kecil serta
memiliki faktor daya mendekati satu.
143
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.19. Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (a) tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber
Gambar-6.20. Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (deteksi fasa sumber)
144
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.21. Hasil simulasi dengan menggunakan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (a) tegangan sumber (b) arus beban (c) arus kompensasi (d) arus sumber
Gambar-6.22. Spektrum arus beban dan spektrum arus sumber dari hasil simulasi pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (deteksi fasa sumber)
6.3.3 Simulasi dengan Menggunakan Deteksi Fasa Sumber pada Nilai Tegangan dc-link Berbeda
Untuk melihat pengaruh tegangan pada sisi dc-link dari konverter MLP terhadap
karakterstik penapisan maka dilakukan simulasi dengan menggunakan nilai tegangan
dc-link yang berbeda. Pada tegangan dc-link yang terlalu kecil akan mengakibatkan
kompensasi tidak optimal sehingga arus sumber masih mengandung distorsi
(Gambar-6.23 dan Gambar-6.24).
145
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.23. Hasil simulasi untuk arus beban dan arus sumber dengan menggunakan tegangan dc-link sebesar (a) 70 Volt (b) 95 Volt (c) 120 Volt
Gambar-6.24. Spektrum arus sumber dari hasil simulasi dengan tegangan dc-link berbeda
6.4 HASIL PERCOBAAN
Dalam melakukan pengujian laboratorium, suatu prototip tapis daya aktif shunt tiga
fasa empat kawat dibuat dengan mengimplementasikan konverter MLP empat lengan.
MOSFET IRFP 460 digunakan sebagai saklar elektronik untuk melakukan proses
pensaklaran pada frekuensi 2,5 kHz. Untuk mengoperasikan saklar elektronik
tersebut, suatu rangkaian driver dengan implementasi IC TLP 250 dan tegangan +15V
digunakan karena MOSFET yang digunakan adalah jenis N-type enhancement. Untuk
mengaplikasikan metoda pengendalian berbasis daya sesaat sumber maka
dibutuhkan deteksi arus sumber yang diimplementasikan dengan current transducer
LEM LA-50P dan deteksi tegangan dc-link yang diimplementasikan dengan voltage
transducer LEM LV-25P.
Perhitungan daya sesaat sumber direalisasikan melalui kombinasi rangkaian digital
dan rangkaian analog. Rangkaian digital diperlukan untuk membentuk tegangan
representatif pada koordinat-β didasarkan deteksi fasa sumber melalui
implementasi IC PLL MC4046 dan mikrokontroler AT89S52, sedangkan rangkaian
analog menggunakan IC MC1495 sebagai pengali untuk merealisasikan transformasi
Clarke. Setelah diperoleh komponen arus sumber tak diinginkan, kontroler arus
146
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
berbasis PI yang diimplementasikan dengan IC LF347 sebagai op-amp digunakan
untuk memaksa komponen arus sumber tak diinginkan tersebut selalu mendekati nol.
Pengujian laboratorium dilakukan dengan menggunakan dua kondisi tegangan
sumber, yaitu tegangan sumber mendekati ideal dan tegangan sumber yang tak ideal
(mengalami distorsi dan tak seimbang), selain itu untuk menguji kemampuan metoda
pengendalian maka juga dilakukan pengujian dengan beban tak linier seimbang
maupun tak seimbang. Parameter percobaan disajikan pada Tabel-6.3.
Tabel-6.3. Parameter rangkaian untuk percobaan
Tegangan Sumber Vs = 30 Vrms
penyearah thyristor satu fasa
Beban tak linier berbeban induktif
tiga fasa empat kawat R = Variabel
L = 20 mH
Konverter MLP empat lengan
Tapis daya aktif shunt Lc = 10 mH
C = 6600 uF
Fs = 2,5 kHz
Vdc-link = 90 Vdc
Tabel-6.4. Komponen tegangan tak ideal yang digunakan untuk percobaan
orde
tegangan ideal (Vrms) tegangan tak ideal (Vrms)
fasa_a fasa_b fasa_c fasa_a fasa_b fasa_c
1 31,72 31,21 30,53 30,81 26,02 39,45
3 0,28 0,21 0,23 5,95 5,93 6,30
5 0,91 0,91 0,68 0,84 0,44 1,18
7 0,21 0,19 0,14 0,49 0,25 0,47
9 0,03 0,05 0,07 1,78 1,83 1,81
11 0,16 0,14 0,16 0,19 0,35 0,05
13 0,01 0,08 0,02 0,22 0,20 0,29
15 0,04 0,04 0,05 0,92 0,91 0,96
6.4.1 Pengujian pada Kondisi Tegangan Sumber Mendekati Ideal
Gambar-6.25 menyajikan tegangan sumber mendekati ideal yang dipakai dalam
percobaan laboratorium, selanjutnya tegangan sumber tersebut dibebani dengan
beban tak linier tiga fasa empat kawat baik seimbang maupun tak seimbang. Pada
pembebanan tak linier seimbang, arus beban yang ditarik oleh beban tak linier
ditunjukkan pada Gambar-6.26 (arus fasa dan arus netral beban). Gambar-6.27
menunjukkan bahwa arus fasa sisi beban mengandung distorsi yang cukup besar.
147
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Metoda pengendalian akan memaksa komponen arus sumber tak diinginkan **Si
selalu mendekati nol, proses ini direalisasikan melalui injeksi arus kompensasi Cki ke
sistem (Gambar-6.28). Injeksi arus kompensasi tersebut akan memaksa arus fasa sisi
sumber berbentuk sinusoidal tiga fasa mendekati ideal, kondisi tersebut
mengakibatkan arus netral sisi sumber menjadi cukup kecil amplitudanya (Gambar-
6.29). Metoda pengendalian mampu menekan distorsi arus sumber (Gambar-6.30)
dan menjadikan arus sumber tetap sefasa dengan tegangan sumber (diwakili
tegangan representatif sumber seperti tampak pada Gambar-6.31).
Penggunaan beban tak linier yang tak seimbang akan menyebabkan arus beban
selain mengalami distorsi juga mengalami ketidakseimbangan (Gambar-6.32),
spektrum arus beban tersebut ditunjukkan pada Gambar-6.33. Metoda pengendalian
berbasis daya sesaat sumber tetap mampu memaksa arus fasa sumber memiliki
bentuk sinusoidal yang relatif seimbang dengan THD yang cukup kecil, kondisi ini
membuat arus netral sisi sumber mendekati nol (Gambar-6.34 dan Gambar-6.35).
Gambar-6.25. Hasil pengukuran tegangan sumber yang mendekati ideal (skala: 25V/div-5ms/div)
Gambar-6.26. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
148
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.27. Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang
Gambar-6.28. Hasil pengukuran arus beban, arus kompensasi dan komponen arus sumber tak diinginkan pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 10A/div-10ms/div)
Gambar-6.29. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
149
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.30. Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang
Gambar-6.31. . Hasil pengukuran arus sumber, arus beban (skala: 10A/div-10ms/div) dan tegangan representatif (skala: 5V/div-10ms/div) pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang
Gambar-6.32. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
150
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.33. Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang
Gambar-6.34.. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
Gambar-6.35. Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang
6.4.2 Pengujian pada Kondisi Tegangan Sumber Tak Ideal
Untuk menguji kemampuan metoda pengendalian terhadap pengaruh kondisi
tegangan sumber, maka digunakan tegangan sumber tak ideal sepert tampak pada
Gambar-6.36 dengan tingkat ditorsi yang cukup tinggi (Gambar-6.37). Beban tak linier
dalam pengujian diatur agar menghasilkan arus terdistorsi yang relatif seimbang
(Gambar-6.38 dan Gambar-6.39). Setelah proses kompensasi maka arus fasa sisi
151
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
sumber dipaksa sinusoidal tiga fasa dengan THD yang relatif kecil (Gambar-6.40 dan
Gambar-6.41). Pada pembebanan yang menyebabkan arus beban terdistorsi dan
mengalami ketidakseimbangan cukup besar (Gambar-6.42 dan Gambar-6.43), tapis
daya aktif shunt tetap mampu melakukan kompensasi yang diinginkan sehingga arus
sumber selalu berbentuk sinusoidal tiga fasa yang relatif seimbang dengan THD
cukup kecil sehingga arus netral sisi sumber dapat ditekan (Gambar-6.44 dan
Gambar-6.45).
Gambar-6.36. Hasil pengukuran tegangan sumber yang tidak ideal (skala: 25V/div-5ms/div)
Gambar-6.37. Spektrum tegangan sumber tak ideal yang digunakan untuk percobaan laboratorium
Gambar-6.38. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
152
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.39. Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang
Gambar-6.40. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
Gambar-6.41. Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat seimbang
153
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.42. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi beban pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
Gambar-6.43. Spektrum arus beban hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang
Gambar-6.44. Hasil pengukuran arus fasa dan netral sisi sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang (skala: 5A/div-10ms/div)
154
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.45. Spektrum arus sumber hasil pengukuran pada kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tiga fasa empat kawat tak seimbang
6.4.3 Pengujian dengan Tegangan dc-link berbeda
Untuk melihat seberapa jauh pengaruh besarnya tegangan dc-link terhadap
karakteristik penapisan maka dilakukan pengujian laboratorium dengan menggunakan
nilai tegangan dc-link yang berbeda. Dalam pengujian ini digunakan tegangan sumber
ideal dengan arus terdistorsi yang relatif seimbang. Dengan nilai tegangan dc-link
yang relatif kecil maka arus sumber akan memiliki tingkat distorsi yang cukup besar
sedangkan untuk tegangan dc-link yang cukup besar, tingkat distorsi arus sumber
dapat ditekan menjadi lebih kecil (Gambar-6.46 – Gambar-6.48).
Gambar-6.46. Hasil pengujian pengaruh tegangan dc-link konverter MLP terhadap arus sumber (a) arus beban (b) arus sumber saat tegangan dc-link = 60V (c) arus sumber saat tegangan dc-link = 75V (d) arus sumber saat tegangan dc-link = 90V
Gambar-6.47. Spektrum arus beban yang digunakan untuk pengujian dengan tegangan dc-link berbeda (THD = 19,80%)
155
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Gambar-6.48. Spektrum arus sumber saat penapisan menggunakan tegangan dc-link sebesar (a) 60V dengan THD = 22,19% (b) 75V dengan THD = 12,52% (c) 90V dengan THD = 2,21%
6.5 PEMBAHASAN
Untuk melakukan analisis terhadap hasil penapisan suatu tapis daya aktif shunt tiga
fasa empat kawat berbasis daya sesaat sumber maka digunakan kriteria yang
mengacu pada standar harmonisa yang dikeluarkan oleh IEEE, di mana pada
rekomendasi tersebut kandungan arus harmonisa suatu sistem dibatasi oleh TDD dan
IHD. Karena TDD memerlukan pengukuran yang cukup lama (dalam rentang waktu
bulan) maka besaran TDD digantikan dengan THD yang dapat merepresentasikan
pengukuran sesaat. Tapis daya aktif yang mengambil besaran tegangan sumber
untuk penentuan daya sesaat tidak dapat bekerja secara optimal pada kondisi
tegangan sumber tak ideal. Fenomena ini dapat dijelaskan sebagai berikut, komponen
arus sumber tak diinginkan akan sama dengan nol jika daya sesaat sumber hasil
perhitungan hanya mengandung komponen rata-rata daya nyata, kondisi demikian
memberi konsekuensi :
Jika besaran tegangan yang digunakan dalam perhitungan daya sesaat merupakan
gelombang sinusoidal tiga fasa ideal (memiliki frekuensi fundamental) maka daya
sesaat hanya akan mengandung komponen rata-rata daya nyata hanya jika arus
sumber juga merupakan gelombang sinusoidal yang sefasa terhadap tegangan
masing-masing fasa.
Jika besaran tegangan yang digunakan dalam perhitungan daya sesaat bukan
merupakan gelombang sinusoidal tiga fasa ideal maka daya sesaat hanya akan
mengandung komponen rata-rata daya nyata hanya jika arus sumber juga merupakan
gelombang yang bukan sinusoidal ideal. Mengacu pada penjelasan tersebut maka
penggunaan deteksi fasa sumber sebagai informasi untuk membangkitkan tegangan
representatif akan memaksa komponen arus sumber tak diinginkan selalu sama
dengan nol jika daya representatif sesaat dari sumber hanya mengandung komponen
rata-rata daya nyata representatif. Kondisi ini akan terpenuhi jika tegangan
representatif sumber merupakan gelombang sinusoidal. Dengan menggunakan
informasi fasa sumber, PLL dan mikrokontroler akan selalu membangkitkan
gelombang sinusoidal yang mendekati ideal. Mengacu hasil simulasi pada Gambar-
6.15 – Gambar-6.22, ditunjukkan bahwa metoda pengendalian berbasis daya sesaat
yang menggunakan deteksi fasa sumber selalu mampu melakukan penapisan secara
optimal pada kondisi tegangan ideal maupun tak ideal. Trayektori arus pada Gambar
6-49 dan Gambar 6-50 menunjukkan bahwa arus sumber mendekati bentuk lingkaran
pada bidang-β0. Tabel-6.5 hingga Tabel-6.9 menunjukkan bahwa arus sumber
156
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
setelah proses kompensasi selalu memenuhi kriteria IEEE tentang batasan
harmonisa. Pada spektrum arus hasil simulasi (Gambar-6.16, Gambar-6.18, Gambar-
6.20 dan Gambar-6.22 ), amplituda komponen fundamental arus sumber lebih kecil
dari pada amplituda komponen fundamental arus beban, kondisi ini disebabkan
karena komponen fundamental arus beban terdiri dari komponen arus aktif dan reaktif
sedangkan komponen fundamental arus sumber merupakan arus aktif saja.
Tabel-6.5. Total Harmonic Distortion (%) dari arus beban dan arus sumber untuk kondisi tegangan sumber berbeda dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi)
BEBAN TAK LINIER SEIMBANG
Kondisi Sumber LaI LbI LcI SaI SbI ScI
Ideal 11,98 11,91 11,97 2,57 2,39 2,55
Tak Ideal 12,79 12,18 14,72 1,95 1,86 2,47
BEBAN TAK LINIER TAK SEIMBANG
Kondisi Sumber LaI LbI LcI SaI SbI ScI
Ideal 12,03 17,46 20,78 3,82 3,19 3,91
Tak Ideal 12,77 13,53 18,32 2,74 2,70 2,85
Tabel-6.6. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 0,06 0,07 0,05 0,05 0,03 0,07
3 9,59 0,37 9,52 0,30 9,58 0,31
4 0,02 0,06 0,02 0,12 0,01 0,10
5 5,64 1,12 5,60 0,93 5,62 1,02
6 0,03 0,11 0,01 0,12 0,01 0,18
7 3,51 1,98 3,51 1,91 3,51 2,00
8 0,02 0,03 0,01 0,07 0,00 0,07
9 2,20 0,28 2,21 0,17 2,20 0,27
10 0,01 0,07 0,01 0,08 0,00 0,05
11 1,31 0,73 1,32 0,68 1,31 0,67
12 0,01 0,09 0,01 0,09 0,00 0,06
13 0,70 0,47 0,71 0,48 0,70 0,51
14 0,01 0,09 0,01 0,06 0,00 0,10
15 0,29 0,08 0,30 0,10 0,29 0,06
157
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Tabel-6.7. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 0,04 0,05 0,03 0,17 0,01 0,15
3 9,62 2,62 14,53 1,93 17,45 2,97
4 0,01 0,08 0,01 0,18 0,01 0,04
5 5,67 1,30 8,21 1,32 9,80 1,35
6 0,02 0,22 0,01 0,13 0,01 0,12
7 3,53 1,97 4,40 1,81 4,73 1,78
8 0,02 0,13 0,01 0,08 0,01 0,09
9 2,20 0,53 2,06 0,06 1,82 0,25
10 0,01 0,18 0,01 0,25 0,00 0,20
11 1,31 0,77 0,75 0,33 1,06 0,63
12 0,01 0,04 0,00 0,05 0,00 0,05
13 0,69 0,70 0,60 0,63 1,29 0,44
14 0,01 0,08 0,01 0,09 0,00 0,05
15 0,28 0,13 0,79 0,14 1,18 0,28
Tabel-6.8. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 0,01 0,10 0,07 0,14 0,02 0,08
3 8,17 0,32 9,16 0,25 8,81 0,13
4 0,01 0,07 0,04 0,05 0,01 0,10
5 8,12 0,69 6,40 1,00 10,11 1,37
6 0,02 0,07 0,02 0,10 0,01 0,09
7 4,80 1,46 3,99 1,09 5,31 1,64
8 0,01 0,08 0,01 0,22 0,01 0,16
9 2,29 0,17 1,86 0,24 2,34 0,37
10 0,01 0,17 0,01 0,05 0,00 0,14
11 1,09 0,55 1,43 0,62 0,50 0,51
12 0,00 0,13 0,01 0,11 0,00 0,09
13 0,50 0,26 1,03 0,48 0,92 0,54
14 0,00 0,07 0,01 0,07 0,00 0,06
15 0,35 0,11 0,86 0,29 0,89 0,23
158
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Tabel-6.9. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil simulasi)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 0,05 0,14 0,05 0,23 0,02 0,18
3 8,14 1,31 9,10 1,39 10,63 1,57
4 0,02 0,09 0,02 0,32 0,03 0,32
5 8,12 1,34 8,23 1,56 13,07 1,15
6 0,03 0,04 0,01 0,05 0,02 0,01
7 4,81 1,69 4,85 1,19 5,80 1,43
8 0,03 0,09 0,01 0,14 0,01 0,12
9 2,30 0,31 2,52 0,47 1,72 0,30
10 0,01 0,07 0,01 0,12 0,01 0,15
11 1,08 0,62 1,06 0,46 2,10 0,77
12 0,01 0,12 0,01 0,19 0,01 0,23
13 0,49 0,34 0,56 0,40 2,35 0,75
14 0,01 0,14 0,01 0,13 0,02 0,19
15 0,34 0,04 0,45 0,18 1,70 0,39
(a) (b)
Gambar-6.49. Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil simulasi dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang
Analisis hasil pengujian laboratorium terhadap kemampuan metoda pengendalian
tapis daya aktif shunt juga dilakukan. Tabel-6.10 menyajikan nilai THD dari hasil
percobaan yang dilakukan pada kondisi tegangan sumber ideal maupun tak ideal
untuk pembebanan dengan beban tak linier seimbang maupun tak seimbang. Dari
159
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
tabel tersebut, arus sumber untuk semua kondisi dapat dipaksa memiliki THD yang
relatif rendah. Selain nilai THD dapat diminimisasi, nilai IHD juga berada di bawah
batasan yang direkomendasikan oleh IEEE (Tabel-6.11 – Tabel-6.14).
Analisis juga diakukan dengan membawa nilai sesaat arus beban dan arus sumber ke
dalam koordinat-β0 untuk dibentuk menjadi suatu trayektori arus (Gambar-6.51 dan
Gambar-6.52). Arus sumber dalam trayektori selalu memiliki bentuk mendekati
lingkaran yang mengandung arti bahwa dalam koordinat-abc arus tersebut berbentuk
sinusoidal tiga fasa.
(a) (b)
Gambar-6.50. Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil simulasi dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang
Tabel-6.10. Total Harmonic Distortion (%) dari arus beban dan arus sumber untuk kondisi tegangan sumber berbeda dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan)
BEBAN TAK LINIER SEIMBANG
Kondisi Sumber LaI LbI LcI SaI SbI ScI
Ideal 20,07 19,75 22,94 2,12 1,98 2,36
Tak Ideal 15,40 14,76 16,40 2,32 2,08 1,96
BEBAN TAK LINIER TAK SEIMBANG
Kondisi Sumber LaI LbI LcI SaI SbI ScI
Ideal 25,02 15,99 22,00 2,49 2,19 2,37
Tak Ideal 27,70 12,40 14,99 1,83 2,49 2,06
160
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Tabel-6.11. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 2,87 0,96 0,88 0,33 1,04 0,97
3 16,60 1,32 16,58 1,21 20,03 1,54
4 0,70 0,74 0,37 0,85 2,05 0,93
5 8,99 0,75 8,75 0,88 9,43 0,74
6 0,91 0,06 1,21 0,03 0,82 0,10
7 4,98 0,45 4,88 0,52 4,48 0,52
8 0,36 0,41 0,88 0,48 0,74 0,30
9 2,47 0,24 1,93 0,34 1,29 0,23
10 0,51 0,15 0,93 0,21 0,32 0,30
11 0,55 0,10 0,64 0,20 1,27 0,16
12 0,84 0,14 1,15 0,20 0,49 0,19
13 1,23 0,17 0,88 0,08 1,78 0,04
14 0,57 0,12 0,93 0,13 0,31 0,18
15 1,04 0,15 0,78 0,06 1,05 0,08
Tabel.6-12. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 6,22 0,30 1,35 0,85 5,04 0,89
3 19,38 0,95 12,54 1,16 17,18 1,47
4 3,98 0,55 0,51 0,32 1,01 0,54
5 11,47 1,87 7,58 1,35 10,73 1,18
6 1,76 0,54 1,38 0,35 1,43 0,56
7 6,23 0,27 4,98 0,11 5,08 0,43
8 0,53 0,36 1,07 0,21 0,61 0,12
9 3,04 0,66 2,42 0,48 2,17 0,31
10 1,27 0,08 1,00 0,04 1,40 0,19
11 1,31 0,49 0,81 0,48 1,94 0,30
12 1,50 0,22 0,52 0,08 1,28 0,12
13 1,57 0,05 0,42 0,04 0,91 0,16
14 0,29 0,07 0,74 0,16 0,63 0,04
15 1,34 0,05 0,67 0,20 1,40 0,14
161
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Tabel-6.13. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 0,71 0,81 0,37 0,80 0,94 0,55
3 3,75 1,51 3,00 1,32 5,49 1,23
4 0,29 0,88 0,92 0,75 1,08 0,74
5 12,63 0,92 11,66 0,75 13,26 0,87
6 0,13 0,05 0,40 0,01 0,65 0,13
7 7,37 0,53 8,00 0,48 7,29 0,47
8 0,18 0,31 0,72 0,51 0,38 0,33
9 1,38 0,22 1,21 0,24 1,00 0,24
10 0,27 0,29 0,38 0,10 0,29 0,15
11 1,49 0,20 1,24 0,15 1,11 0,17
12 0,21 0,16 0,38 0,13 0,44 0,22
13 0,78 0,05 1,23 0,18 1,30 0,19
14 0,13 0,15 0,16 0,16 0,10 0,12
15 0,73 0,22 0,33 0,19 0,84 0,16
Tabel-6.14. Individual Harmonic Distortion (%) dari arus sumber untuk kondisi tegangan sumber tak ideal dan beban tak linier tak seimbang dengan deteksi fasa sumber (hasil percobaan)
orde LaI SaI LbI SbI LcI ScI
1 100 100 100 100 100 100
2 5,58 0,36 0,96 0,79 0,46 0,81
3 15,94 0,63 3,61 1,59 4,77 1,16
4 1,93 0,81 0,39 0,77 0,99 0,69
5 18,01 1,18 8,54 1,21 12,23 1,06
6 1,49 0,23 0,53 0,17 0,78 0,03
7 9,68 0,20 7,57 0,42 6,06 0,18
8 0,99 0,13 0,24 0,09 0,66 0,15
9 1,31 0,27 1,59 0,21 2,06 0,21
10 1,07 0,21 0,20 0,34 0,44 0,15
11 6,04 0,40 1,66 0,41 1,99 0,52
12 0,51 0,21 0,22 0,04 0,59 0,08
13 2,67 0,43 1,13 0,33 1,01 0,25
14 0,59 0,04 0,10 0,07 0,40 0,18
15 1,13 0,06 0,12 0,23 0,79 0,07
162
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
(a) (b)
Gambar-6.51. Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil percobaan dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber mendekati ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang
(a) (b)
Gambar-6.52. Trayaktori arus beban dan arus sumber dari hasil percobaan dengan deteksi fasa sumber pada kondisi tegangan sumber tak ideal (a) untuk beban tak linier seimbang (b) untuk beban tak linier tak seimbang
Suatu tapis daya aktif shunt yang mengimplementasikan konverter MLP sebagai
sumber arus terkendali akan mendorong arus kompensasi mengalir ke sistem.
Karakteristik arus kompensasi tersebut dipengaruhi oleh beberapa faktor, di antaranya
tegangan dc-link dan induktansi induktor pada sisi tegangan bolak-balik konverter
MLP. Pada penggunaan tegangan dc-link yang cukup besar menyebabkan arus
kompensasi memiliki kemiringan cukup curam sehingga memungkinkan tapis daya
aktif shunt menginjeksikan arus kompensasi yang memaksa komponen arus sumber
yang tak diinginkan selalu mendekati nol. Kodisi demikian membuat arus sumber
memiliki bentuk sinusoidal. Di sisi lain, karena kemiringan arus kompensasi cukup
besar maka berakibat riak arus kompensasi makin besar. Sedangkan jika tegangan
163
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
dc-link terlalu kecil maka arus kompensasi tidak mampu mengikuti tingkat perubahan
arus terhadap waktu yang diinginkan sehingga tapis daya aktif shunt tidak dapat
memaksa komponen arus sumber yang tak diinginkan mendekati nol. Kondisi ini
menyebabkan arus pada sisi sumber masih mengandung komponen yang tak
diinginkan yang selanjutnya membuat arus sumber tidak berbentuk sinusoidal.
6.6 KESIMPULAN
Penapisan aktif shunt mampu melakukan injeksi arus kompensasi ke sistem untuk
mereduksi komponen reaktif dan harmonisa. Kendali berbasis deteksi arus sumber
memerlukan sensor arus lebih sedikit. Karena tidak digunakan sumber tegangan DC
pada sisi DC link inverter maka digunakan kapasitor yang dilengkapi dengan loop
peregulasi tegangan. Hasil pengujian menunjukkan reduksi harmonisa dapat
dilakukan secara signifikan.
6.7 DAFTAR PUSTAKA
1. Akagi, H. (1994), Trends in Active Power Line Conditioner, IEEE Trans. on Power
Electronics, vol.9, no.3, 263-268
2. Akagi, H. dan Fujita, H. (1995), A New Power Line Conditioner for Harmonic
Compensation in Power Systems, IEEE Trans. on Power Delivery , vol.10, no.3,
1570-1575
3. Akagi, H. (1996), New Trends in Active Filter for Power Conditioning, IEEE Trans.
on Industry Applications, vol.32, no.6, 1312-1322
4. Aredes, M. dan Watanabe, E.H. (1995), New Control Algorithms for Series and
Shunt Three-Phase Four-Wire Active Power Filters, IEEE Trans. on Power
Delivery, vol.10, no.3, 1649-1656
5. Aredes, M., Hafner, J., dan Heumann, K. (1997), Three-Phase Four-Wired Shunt
Active Filter Control Strategies, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.12, no.2,
311-318
6. Chen, C.C. dan Hsu, Y.Y. (2000), A Novel Approach to the Design of a Shunt
Active Filter for an Unbalanced Three-Phase Four-Wire System under
Nonsinusoidal Conditions, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.15, no.4, 1258-1264
7. Depenbrock, M., Staudt, V., dan Wrede, H. (2003), A Theoretical Investigation of
Original and Modified Instantaneous Power Theory Applied to Four-Wire
Systems, IEEE Trans. on Industry Applications, vol.39, no.4, 1160-1167
8. Huang, S.J. dan Wu, J. C. (1999), A Control Algorithm for Three-Phase Three-
Wired Active Power Filter under Nonideal Mains Voltages, IEEE Trans. on Power
Electronics, vol.14, no.4, 753-760
9. Peng, F.Z. dan Lai, J. S. (1996), Generalized Instantaneous Reactive Power Theory
for Three-Phase Power Systems, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement,
vol.45, no.1, 293-297
10. Zuniga, T.E.N. dan Pomilio, J.A. (2002), Shunt Active Power Filters Sinthesizing
Resistive Loads, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.17, no.2 , 273-278
11. Watanabe, E.H., Stephan, R.M., dan Aredes, M. (1993), New Concepts of
Instantaneous Active and Ractive Powers in Electrical Systems with Generic
Loads, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.8, no.2, 697-703
164
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
165
_______________________________________________________________________________________________
Tapis Daya Aktif Shunt : Suatu Alternatif Reduksi Harmonisa – Slamet Riyadi
Penulis lahir di Semarang tahun 1967. Setelah tamat dari
SMA Negeri 3 Semarang, melanjutkan ke Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro (UNDIP) dan
lulus sebagai Insinyur tahun 1991. Selanjutnya bekerja
pada PT KGD Indonesia Inc sebagai Senior Technical
Expert (STE), sejak tahun 1992 mejadi tenaga pengajar di
Universitas Katolik Soegijapranata Semarang hingga
sekarang. Memperoleh gelar Magister Teknik dalam bidang
Konversi Energi dan Elektronika Daya dari Institut Teknologi
Bandung (ITB) tahun 1997. Kemudian aktif lagi mengajar dan melakukan
penelitian. Penulis mendapat kesempatan melanjutkan studi S3 di Institut
Teknologi Bandung, selama masa studi juga memperoleh bea siswa dari ASEM
DUO-FRANCE untuk melaksanakan penelitian (PhD Partial Research) di Institute
Nationale Polytechnique de Toulouse (INPT) Perancis.
Dr. Slamet Riyadi juga aktif dalam menulis publikasi ilmiah dan diktat kuliah,
menjadi pembicara, mengikuti seminar serta melakukan penelitian. Beberapa
penelitian kompetisi telah didapatkan, antara lain
PhD Partial Research dari ASEM DUO-FRANCE
RISTEK dari KNRT
HIBER dari DIKTI
Dosen Muda dari DIKTI
RUD dari Balitbang Prov. Jateng
DIKNAS Prov. Jateng
APTIK
Dewasa ini topik penelitian yang menjadi fokus adalah kualitas daya listrik
terkait harmonisa, tapis daya aktif, PWM Rectifier, sumber arus terkendali,
photovoltaic (PV) dan PV-Grid Connected System
e-mail : [email protected]